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Final Informe 2 Electricos II

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INFORME FINAL N°2

DESFASAMIENTO DE
ONDAS SINUSOIDALES
EN CIRUITOS RL Y RC
Profesor: Alfredo Torres León

Alumno: Renato Alexander, Hurtado Vivar


LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS II
INFORME FINAL N°2 DESFASAMIENTO DE ONDAS SINUSOIDALES EN CIRUITOS RL Y RC

TABLA DE CONTENIDO

Contenido

OBJETIVOS ................................................................................................................... 2

MATERIALES / EQUIPOS .......................................................................................... 2

CIRCUITO EXPERIMENTAL .................................................................................... 3

Medición de voltajes de C.A........................................ Error! Bookmark not defined.

CUESTIONARIO ........................................................................................................... 6

OBSERVACIONES ..................................................................................................... 14

CONCLUSIONES ........................................................................................................ 15

BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 15

LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS II


INFORME FINAL N°2 DESFASAMIENTO DE ONDAS SINUSOIDALES EN CIRUITOS RL Y RC

OBJETIVOS

 Determinar el ángulo de fase entre la tensión y corriente en un circuito RL y RC

usando el osciloscopio.

MATERIALES / EQUIPOS

 Resistencia de : 1K

 Condensador: 0.01𝜇𝐹

 Bobina de 2.8H

 Equipo: Generador de señales, ORC y VOM

 Diversos: extensión, conectores, etc…

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CIRCUITO EXPERIMENTAL

A. Armar el circuito de la fig. 2-1

B. Conectar el generador de audio y regule para una frecuencia de 1KHz y una


amplitud de 10Vpp sinodal.

C. Coloque el osciloscopio en una escala adecuada para medir la tensión VR y así


obtener la corriente en forma indirecta.

D. Tome valores de VR y VL variando la tensión del generador, llenando la tabla


adjunta.

ZL = VL /I

2.00 6.00 10.00


E (Vpp)
0.195 0.59 0.96
VR (Vpp)
0.399 1.36 2.34
VL(Vpp)
0.21 0.63 1.06
I(mA) 3

1.9 2.16 2.04


ZL(KΩ)

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E. Reemplaza la bobina por un condensador de 0.01uF como se muestra en Fig


2.2. Construya una tabla similar a la anterior, repitiendo los pasos anteriores.

E (Vpp) 2.00 6.00 10.00


VR (Vpp) 0.52 1.47 2.5
VC(Vpp) 0.37 1.03 1.8
I(mA) 0.16 0.59 1.55
ZC(KΩ) 5.34 9.19 8.4

F. Coloque el osciloscopio en modo alterno (ALT) para observar dos señales


(BOOT) y haga la medición del desfasaje entre VR y VR tomando como
referencia horizontal el periodo de la señal como 360º, centrando y dándoles
una amplificación adecuada a las señales en la pantalla.

Ahora veamos las mediciones con el osciloscopio.

θ = 4ms

T = 16.4ms 4

Por lo tanto:

4
δ= × 360º = 87.8º ≈ 90º
16.4

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G. Coloque nuevamente el condensador en lugar de la bobina y mida como en el


paso anterior el desfasaje entre VC y VR.

Los datos obtenidos con el osciloscopio:

θ = 4ms

T = 16.4ms

Por lo tanto:

4
δ= × 360º = 87.8º ≈ 90º
16.4
(La corriente se adelanta al voltaje)

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CUESTIONARIO
1. Con la señal de corriente expresada en forma trigonométrica, determine por
aplicación de las leyes de Lenz y Faraday, las tensiones en las impedancias
reactivas para la bobina y condensador.

Sabemos por la ley de Lenz que:

dil
VL = L
dt
La señal de corriente es:

il = IP cos⁡(ωt + φ)

Luego:

dil d(Ip cos(ωt + φ))


VL = L =L = −ωLIp sen(ωt + φ)
dt dt
Introduciendo el signo menos dentro del seno y cambiando a coseno tenemos:

VL = ωLIp cos(ωt + φ + 90º)

Vemos entonces que el voltaje se adelanta 90º respecto de la corriente en el


inductor.

Teórico Multímetro Osciloscopio Valor


Digital Digital Simulado
𝑽𝑹𝟏 (𝒓𝒎𝒔) 1.56 V 1.69 V 1.75 V V
𝑽𝑹𝟐 (𝒓𝒎𝒔) 1.09 V 1.07 V 1.11 V V
𝑽𝑹𝟑 (𝒓𝒎𝒔) 3.35 V 3.2 V 3.2 V V

Ahora, la ley de Faraday nos dice que en el capacitor:


6
t
1
VC = ∫ i(t)dt
C −∞

Nuevamente, la señal de corriente será:

il = IP cos⁡(ωt + φ)

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Luego:

1 t 1 t
VC = ∫ i(t)dt = ∫ Ip cos(ωt + φ) dt
C −∞ C −∞

Asumiendo que en el infinito no hay voltaje ni corriente, tenemos:

Ip Ip
VC = sen(ωt + φ) = cos⁡(ωt + φ − 90º)
ωC ωC
Entonces:

Ip
VC = cos⁡(ωt + φ − 90º)
ωC
En este caso, el voltaje se atrasa en 90º respecto de la corriente.

2. En que difiere la impedancia Z de la resistencia R

La impedancia es un pseudo - fasor, que relaciona el voltaje y la corriente fasorial


sobre un elemento. Y como tal, introduce un desfasamiento en una señal,
respecto de otra; en cambio, una resistencia solo presenta oposición a la
amplitud de la señal, más no altera su fase.

Z = R + jX

Donde R es lo que se llama resistencia, y X es la reactancia que puede ser


inductiva o capacita. Es este término el que diferencia a la resistencia de la
impedancia. Expresando Z en forma polar:

X
Z = √R2 + X 2 ∠tan−1 ( ) º
R

Vemos que la impedancia tiene un ángulo de desfase. La resistencia y la


impedancia serán igual si la reactancia es cero.
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3. Describa como se relaciona la representación fasorial de una onda de corriente


alterna con su representación instantánea.

Sea la señal de corriente alterna:

v(t) = Vm cos(ωt + φ)

Puesto la frecuencia de la señal no se altera en todo el circuito, la información a


buscarse radica tanto en la amplitud y la fase. Se define el fasor:

V = Vm ∠φ

Del mismo modo, supongamos que tenemos el fasor:

I = Im ∠δ

Entonces, la señal instantánea que representa será:

i(t) = Im cos(ωt + δ)

Vemos entonces como la señal instantánea del tiempo y su representación


fasorial se relacionan por ambas mostrar la amplitud de la señal, y su fase para
t=0 o fase inicial.

4. ¿Cómo influyen en el cálculo de Z las unidades de V e I si se expresa en Vpp ó


Vef?
Si definimos los fasores de voltaje y corriente:
8
Usando Vpp y la fase:

V = VPP ∠θ

I = Ipp ∠ϑ

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Luego, la impedancia sería:

Vpp Vrms (2√2) Vrms


Z= ∠θ − ϑ = ∠θ − ϑ = ∠θ − ϑ
Ipp Irms (2√2) Irms

Que es la impedancia tomando los fasores de voltaje y corriente con valores


eficaces. La elección de cualquiera de estos tipos de medida para la amplitud de
la señal AC no influye sobre la impedancia, siempre y cuando ambas estén
expresadas en el mismo sistema.

5. De acuerdo a las tablas de los pasos D y E, tome un valor promedio de las


impedancias en cada caso, y calcule el valor de L y C respectivamente. Explique
las posibles causas de las variaciones.

De la tabla primera:

ZL(KΩ) 0.9 2.16 2.34

Entonces:

0.9 + 2.16 + 2.34


̅̅̅
ZL = K = 1.8K
3
Luego,

ZL 1.8K
L= = = 4.81H
2πf 2π × 100Hz

El valor promedio de la inductancia de la bobina es de 4.81 henrios.

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De la segunda tabla:

ZC(KΩ) 5.34 16.5 9.19

5.34 + 16.5 + 9.19 + 9.43 + 8.4


̅̅̅
ZC = K = 9.77K
5
Luego:

1 1
C= = = 0.01Uf
2πfZC 2π(100Hz)(9.77K)

El valor promedio del capacitor, hallado experimentalmente es 0.01 uF.

6. Para un ángulo de desfasaje de 45º, qué valor debería tener la inductancia L si


es que se mantiene la frecuencia constante, y qué valor debería tener la
frecuencia si es que la inductancia L se mantiene constante. Igualmente, hallar
los valores para el caso de la capacitancia C.

Para que haya un desfasaje de 45º, condicionamos:

i. para el caso de la bobina, el voltaje se adelanta a la corriente.


ii.
V = Vm∠0º

I = Im∠ − 45º

Luego, por definición de impedancia: 10

V Vm
Z= = ∠45º
I Im

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Extendiendo este resultado:

Vm
Z = R + jXL = ∠45º
Im
Entonces, igualamos:

XL
tan−1 ( ) = 45º
R

Entonces:

XL
= 1 ==> ⁡ XL = R ==> (2πf)L = R
R
Si se mantiene la frecuencia constante:

R
L=
2πf
Si se mantiene la inductancia constate:

R
f=
2πL
iii. para el caso de la capacitancia, la corriente adelanta al voltaje:
V = Vm∠0º

I = Im∠45º

Luego, pode definición de impedancia:

V Vm
Z= = ∠ − 45º
I Im
Extendiendo este resultado:

Vm
Z = R − jXC = ∠ − 45º
Im
11
Entonces, igualamos:

−X C
tan−1 ( ) = −45º
R

Entonces:

−XC 1
= −1 ==> ⁡ XC = R ==> =R
R 2πfC

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Si se mantiene la frecuencia constante:

1
C=
2πfR
Si se mantiene la inductancia constate:

1
f=
2πRC

7. Explique las ventajas y desventajas de la medición de desfasajes con el


osciloscopio. Muestre los valores así hallados y compárelos con los cálculos a
partir del diagrama fasorial. Hallar el valor absoluto y relativo.

 VENTAJAS
Permite aplicar una gran variedad de métodos para el cálculo de desfasajes.

Muestra la naturaleza de la onda, y por ende, los cálculos tomados de ella


comprueban muchos teoremas y principios eléctricos.

 DESVENTAJAS:
Es más susceptible a interferencias con ruidos.

La no presenta mucha precisión.

Distorsiona la onda para valores picos muy pequeños.

Veamos ahora los errores introducidos en el cálculo de los ángulos de


desfasamiento:

Para el caso de la bobina:

θ = 4ms

T = 16.4ms 12

Por lo tanto:

4
δ= × 360º = 87.8º
16.4

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Calculemos el error absoluto:

E = |Vmedido − Vteórico|

Puesto que a partir de los diagramas fasorial, se verificó que el ángulo de


desfasaje es 90º, entonces:

E = |87.8º − 90º| = 2.2º

Esto quiere decir, que nuestra medida estuvo a 2.2º de error por defecto,
respecto al valor obtenido del diagrama fasorial.

Ahora, el error relativo:

E
ER = = 0.024 = 2.4%
Vteórico

En resumen, se puede decir que se cometió un error del 2.4% en la medición del
ángulo de desfasaje en la bobina usando osciloscopio.

Para el caso del capacitor:

θ = 4ms

T = 16.4ms

Por lo tanto:

4
δ= × 360º = 87.8º
16.4
Calculemos el error absoluto:

E = |Vmedido − Vteórico|

Puesto que a partir de los diagramas fasorial, se verificó que el ángulo de


desfasaje (de la corriente respecto del voltaje) es 90º, entonces:

E = |87.8º − 90º| = 2.2º 13

Esto quiere decir, que nuestra medida estuvo a 2.2º de error por defecto,
respecto al valor obtenido del diagrama fasorial.

Ahora, el error relativo:

E
ER = = 0.024 = 2.4%
Vteórico

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En resumen, se puede decir que se cometió un error del 2.4% en la medición del
ángulo de desfasaje en el condensador, usando osciloscopio.

8. Explique otros métodos que conozca para determinar el ángulo de fase de dos
señales senoidales.

Para calcular el ángulo de fase


mediante este método, primero
calculamos y0 o A, que la intersección
de la figura con el Eje Y, luego
calculamos y1 o B, que es el pico más
alto que alcanza la figura. Esto es fácil
de obtener contando las divisiones en
cada longitud. Por último, el ángulo de
desfase viene dado por:

A
δ = sen−1 ( )
B
En vista de esto, para señales desfasadas en 90º, les corresponden como figuras
de Lissajouss, circunferencias.

OBSERVACIONES

La bobina utilizada en el experimento nos presentó de la dificultad de no saber


el valor de su inductancia. En vista de que las bobinas de nuestro laboratorio no
indican el valor de sus inductancias, el tiempo empleado para culminar la 14
experiencia se dilató en dos clases.

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CONCLUSIONES

 La corriente en el capacitor se adelanta al voltaje sobre este en 90º.

 La corriente en la bobina se atrasa al voltaje sobre esta, en 90º.

 El ángulo de fase de un circuito viene dado por el ángulo de desfasaje entre el


voltaje de la fuente de AC, y el corriente de AC que se genera en la carga
conectada.

 Un circuito puede ser de influencia capacitiva o inductiva. Si la corriente se


adelanta al voltaje de la fuente, el circuito es capacitivo, y el desfasaje es mayor
que 0º y menor que 90º, en vista de la resistencia en serie. En cambio, si la
corriente se atrasa respecto del voltaje de fuente, se dice que el circuito es
inductivo, y el desfasaje está comprendido entre 0 y 90º

BIBLIOGRAFIA

 AVALLONE, A. E. Marks Manual del Ingeniero Mecánico. Editorial McGraw Hill,


1998.

 www.webphysics.ph.wsstate.edu/javamirror/explrsci/dswm

 www.groups.dcs.st-and.ac.uk/history/Mathematician

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