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Laboratorio de Circuitos Electricos 2 Experiencia 4 - Grupo 1

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

INFORME N°4

“DESFASAMIENTO DE ONDAS SINUSOIDALES EN CIRCUITOS R-C Y R-L.”

LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II – ML125 B

GRUPO 1

QUISPE FERNÁNDEZ, SHEILA BRIGITTE

ALANYA CHOQUE, JHEFFERSON JAIDER

BELTRAN QUISPE, BRYAN RONALD

REVISADO POR: ING. WALDIR AYASTA MECHAN

LIMA, 14 DE MAYO DE 2021


ÍNDICE

1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 3
2 OBJETIVOS........................................................................................................................ 3
3 FUNDAMENTO TEÓRICO ................................................................................................. 3
4 NORMAS DE SEGURIDAD GENERAL .............................................................................. 6
5 ELEMENTOS A UTILIZAR.................................................................................................. 7
6 DATOS ............................................................................................................................... 8
7 CIRCUITO A UTILIZAR ...................................................................................................... 8
8 PROCEDIMIENTO............................................................................................................ 11
9 CALCULOS ...................................................................................................................... 15
10 CUESTIONARIO ........................................................................................................... 17
11 CONCLUSIONES.......................................................................................................... 21
12 RECOMENDACIONES ................................................................................................. 21
13 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 22
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1 INTRODUCCIÓN

Para el siguiente informe mediante el osciloscopio vamos a observar los diferentes desfasajes
que hay entre el voltaje y la corriente en un circuito conformado por resistores y condensadores
y en un circuito compuesto por resistores y un inductor, alimentados por una fuente eléctrica.

2 OBJETIVOS

✓ Determinar el ángulo de desfasaje entre el voltaje y corriente en un circuito R-C y un circuito


R-L mediante un osciloscopio digital.

3 FUNDAMENTO TEÓRICO

3.1 Circuito R-L:


Un circuito RL, está conformada por la puesta en serie de un resistor e inductor, los cuales
para este caso están sujetos a una fuente de voltaje senoidal, donde la corriente alterna
resultante atravesaría ambos componentes. Sin embargo, esta última presentara un desfase
con respecto al voltaje dado en el inductor[1]. Ello puede ser demostrado de la siguiente
manera:
En la bobina se cumple:
𝑑𝑖
𝑉𝐿 = 𝐿
𝑑𝑡

Sea la corriente 𝐼 = 𝐼𝑚 . cos(𝑤𝑡 + ∅)

Reemplazando 𝐼 en 𝑉𝐿 , se tiene:

𝑑(𝐼𝑚 cos(𝑤𝑡 + ∅))


𝑉𝐿 = 𝐿 = −𝑤𝐿𝐼𝑚 sin(𝑤𝑡 + ∅)
𝑑𝑡

Introduciendo el signo menos dentro del seno y cambiando a coseno tenemos:

𝑉𝐿 = 𝑤𝐿𝐼𝑚 cos(𝑤𝑡 + 90°)

De esta manera podemos ver entonces que la corriente se encuentra atrasada en 90° respecto
al voltaje en el inductor o, dicho de otro modo, el voltaje se encuentra adelantado en 90°
respecto a la corriente del inductor. Esta particularidad del circuito RL podemos graficarlo
mediante ondas senoidales o fasores mostrados en la siguiente ilustración:

Fig. 01: Desfase entre ondas senoidales en un circuito RL

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3.2 CIRCUITO RC
El circuito RC será resuelto de manera análoga a lo desarrollado en el circuito RL. Sin
embargo, este a diferencia del anterior presentara un comportamiento contrario al del inductor.
Ello puede ser demostrado de la siguiente manera:
Sea la corriente 𝐼 = 𝐼𝑚 . cos(𝑤𝑡 + ∅) presente en el circuito RC.
Se sabe que para un capacitor se cumple que:

1 𝑡
𝑉𝐶 = . ∫ 𝐼(𝑡)𝑑𝑡
𝐶 ∞

Reemplazando las dos expresiones:

1 𝑡
𝑉𝐶 = . ∫ 𝐼 . cos(𝑤𝑡 + ∅) 𝑑𝑡
𝐶 ∞𝑚

Al desarrollar la integral podemos deducir que:

𝐼𝑚
𝑉𝐶 = sin(𝑤𝑡 + ∅ − 90°)
𝑤𝐶

De esta manera podemos ver entonces que la corriente se encuentra adelantada en 90°
respecto al voltaje en el capacitor o el voltaje se encuentra retrasado en 90° respecto a la
corriente en el capacitor. Esta característica del circuito RC [2], podemos graficarlo en el
siguiente gráfico:

Fig.02: Desfase entre ondas senoidales en un circuito RC

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3.3 MEDICIONES DEL ANGULO DE DESFASE

3.3.1 METODO DE BARRIDO DISPARADO


La fase de una señal senoidal es la medida angular que especifica la posición de la onda
respecto a una referencia. Por defecto y practicidad se tendrá como referencia a una señal
senoidal que cruce por cero, donde también puede ser denominada como una onda no
desfasada. Por el contrario, si la señal esta corrida hacia la izquierda o derecha con
respecto a la referencia, entonces la señal presentara un desfasamiento que puede ser
medido en ángulos o radianes. Dependiendo hasta que lado esta corrida.[3]

Fig. 03

3.3.2 METODO DE LISSAJOUS


Para el proceder de este método se alimentan dos ondas senoidales al mismo tiempo en
un osciloscopio y se ajusta el osciloscopio para trabajar en el método A-B. Obteniéndose
así una figura cuya forma va a depender de la relación de las frecuencias y del desfase
presente entre ambas señales. Así como también podría determinarse el desfase
presente entre ambas.[4]

𝑎𝑏 𝑒𝑓
sin−1 ∅ = =
𝑐𝑑 𝑔ℎ

Fig. 04: Determinación del desfase mediante el modelo de Lissajous

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4 NORMAS DE SEGURIDAD GENERAL

Antes de realizar las pruebas del laboratorio en las mesas de ensayo tenga en cuenta
las siguientes recomendaciones:

• Asegúrese de tener suficiente iluminación.


• Ordene su mesa de trabajo. Nunca trabaje entre marañas de cables, con lo que aumenta
la posibilidad de cortocircuito. Acostúmbrese a trabajar sistemática y ordenada.
• Al trabajar con equipos eléctricos, mayores de 30 volts. se recomienda usar siempre
equipos de protección: cascos de seguridad, botas dieléctricas con suela de goma y
guantes dieléctricos adecuados.
• Asegúrese antes de trabajar que el equipo cuente con su puesta a tierra.
• Desconecte la corriente cada vez que se trabaje en un circuito.
• No trabaje en pisos mojados es peligroso.
• Nunca trabaje en un circuito eléctrico sin ayudante o un compañero.
• Nunca trabaje en circuitos eléctricos sin autorización de una persona responsable:
Ingeniero o técnico.

Fig. 5: Normas de seguridad


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-125.pdf
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5 ELEMENTOS A UTILIZAR

5.1 EQUIPOR E INSTRUMENTOS:


✓ 1 Generador Ondas.
✓ 1 Panel de Resistencias de Carbón.
✓ 1 Panel de Condensadores Cerámicos.
✓ 1 Panel de Condensadores AC.
✓ 1 Resistencia Variable de 1 A.
✓ 1 Bobina de 1 A.
✓ 1 Osciloscopio Digital.
✓ Cables conectores.

Fig. 6: Equipos

5.2 SIMULACIÓN EN PROTEUS 8.5 PROFESSIONAL


Para el desarrollo total de las experiencias se hizo uso del software PROTEUS 8.5, este
consta de diferentes instrumentos de medición como amperímetro, voltímetro, ohmímetro,
vatímetro, entre otros.

Fig. 7: Proteus

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6 DATOS
Los datos entregados para elaborar este informe son:

FUENTE FRECUENCIA GRUPOS IMPARES


G1 f (Hz) R1 L C1

120 60 Hz 1 kΩ 20 H 2 µf
Tabla 01: datos

7 CIRCUITO A UTILIZAR

7.1 Para el circuito R-C y el circuito R-L, estarán conectados a un osciloscopio digital,
representado por el siguiente esquema:

Fig. 8: Modelo del circuito

CASO 1: CIRCUITO R-C

Fig. 9: Circuito RC

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CASO 2: CIRCUITO R-L

Fig. 10: Circuito RL

7.2 Para el circuito R-C y el circuito R-L, estarán conectados a un osciloscopio digital,
representado por el siguiente esquema el desfase de cada circuito:

Fig. 11: Lissajouss

CASO 1: CIRCUITO R-C

Fig. 12: Lissajouss del Circuito RC

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CASO 2: CIRCUITO R-L

Fig. 13: Lissajouss del Circuito RL

7.3 Para el circuito R-C y el circuito R-L, estarán conectados a un osciloscopio digital,
representado por la siguiente superposición de ondas:

Fig. 14: Modelo Senoidal

CASO 1: CIRCUITO R-C

Fig. 15: Superposición del Circuito RC

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CASO 2: CIRCUITO R-L

Fig. 16: Superposición del Circuito RL

8 PROCEDIMIENTO.
Para nuestra experiencia se prosiguió a seguir los pasos de la guía de laboratorio de circuito
II-2021.

8.1 Se conecta el generador, con las siguientes especificaciones.

Fig. 17: Generador del Proteus

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8.2 Se gradúa la escala V/div, ajustándolo a la misma escala para ambos canales.

Fig. 18: Gradúa a escala el Proteus

8.3 La superposición de dos ondas, midiendo el desfasaje.

Fig. 19: Método de Superposición de ondas RC.

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8.4 Figura del Lissajouss, representada por el eje Y(x).:

Fig. 20: Método de Lissajouss, para el circuito RC.

8.5 Caso en el cual la C es constante y la R es variable.


Se obtuvo los siguientes datos:

CASO RC (R VARIABLE)
ORDEN RESISTENCIA SUPERPOSICION LISSAJOUS
N° R (kΩ) ф (ms) ф (°) 2A (V) 2B (V)
1 1.00 1.73 37.37 116.0 191.0
2 1.50 2.25 48.60 116.0 159.0
3 2.00 2.65 57.24 109.0 131.0
4 2.50 2.85 61.56 99.0 113.0
5 3.00 3.00 64.80 88.0 96.0
C (µF) 2.00 f (Hz) 60
Tabla 02: Circuito RC

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8.6 Caso en el cual R es constante y C variable:


Se obtuvo los siguientes datos:

CASO RC (C VARIABLE)
ORDEN CAPACITOR SUPERPOSICION LISSAJOUS
N° C (µF) ф (ms) ф (°) 2A (V) 2B (V)
1 3.00 2.20 47.52 118.0 160.0
2 3.50 2.44 52.70 114.0 144.0
3 4.00 2.60 56.16 110.0 132.0
4 4.50 2.73 58.97 102.0 120.0
5 5.00 2.86 61.78 100.0 113.0
R (kΩ) 1.00 f (Hz) 60
Tabla 03: Circuito RC

8.7 Caso donde L y R toman diferentes valores.


Se obtuvo los siguientes datos:

CASO RL
ORDEN RESISTENCIA INDUCTOR SUPERPOSICION LISSAJOUS
N° R (kΩ) L (H) ф (ms) ф (°) 2A (V) 2B (V)
1 1.00 2.00 2.43 52.49 116.0 146.0
2 1.50 2.50 2.68 57.89 109.0 129.0
3 2.00 3.00 2.77 59.83 104.0 120.0
4 2.50 3.50 2.88 62.21 101.0 114.0
5 3.00 4.00 2.91 62.86 97.0 109.0
f (Hz) 60
Tabla 04: Circuito RL

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9 CALCULOS
9.1 CASO RC

Fig. 21: Representación del circuito RC.

Fig. 22: Cálculos teóricos en software mathcad para el caso de circuito RC.

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9.2 CASO RL

Fig. 23: Representación del circuito RL.

Fig. 24: Cálculos teóricos en software mathcad para el caso de circuito RL.

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10 CUESTIONARIO

10.1 Describir los elementos y equipos usados en la experiencia.

a) Generador Ondas: Un generador de señales, de funciones o de formas de onda es


un dispositivo electrónico de laboratorio que genera patrones de señales periódicas
o no periódicas tanto analógicas como digitales.[5]
b) Osciloscopio Digital: En el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada
por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la
calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo.[6]
c) Panel de Resistencias de Carbón: Para obtener una resistencia más elevada se
practica una hendidura hasta el sustrato en forma de espiral.[7]
d) Panel de Condensadores AC: están divididas en tres campos de aplicación:
Corrección del factor de potencia (C.F.P.), motores monofásicos (motor run) e
iluminación (lighting).[8]
e) Bobina de 1 A: es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al
fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.[9]

10.2 ¿Cuándo se observa un círculo en la pantalla?

Para poder obtener una circunferencia en la pantalla del osciloscopio, es necesario tener
un desfase de 90° y una misma amplitud entre las ondas sinusoidales a graficar, esto se
logra conectado en serie una impedancia, 𝑍1 = (663.146 + 𝑗663.146) Ω, a la capacitancia
𝐶1 .

Fig. 21: Simulación del circuito eléctrico, para obtener el desfase de 90°. Método de superposición
de Ondas sinusoidales, para 𝑍1 = (663.146+j663.146) Ω y 𝐶1 = 2𝜇𝐹

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Fig. 22: Simulación del circuito eléctrico, para obtener el desfase de 90°. Método de superposición
de Ondas sinusoidales, para 𝑍1 = (663.146+j663.146) Ω y 𝐶1 = 2𝜇𝐹

Fig. 23: Simulación del circuito eléctrico, para obtener el desfase de 90°. Método de superposición
de Ondas sinusoidales, para 𝑍1 = (663.146+j663.146) Ω y 𝐶1 = 2𝜇𝐹

10.3 ¿Por qué cuando el desfasaje aumenta de 90° a 180° la elipse se inclina en sentido
contrario?
Matemáticamente se tiene:

𝑋 = 𝐴 sin(𝑤𝑡)
𝑌 = 𝐴 sin(𝑤𝑡 + ∅)

De donde se puede notar que si el desfasaje se encuentra entre 0° y 90°, el siguiente


punto de magnitud 𝐴 sin(∅) se encuentra en el lado positivo de X, Y por tanto la elipse
se inclinara hacia la derecha como se muestra en la primera parte del laboratorio. Por
otra parte, si el desfasaje se encuentra entre 90° a 180° el siguiente punto con el mismo
valor se encontrará en el lado negativo de x, y por lo tanto la elipse se inclinará hacia la
izquierda como se muestra en la siguiente figura:

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10.4 Elaborar un cuadro indicando el desfasaje teórico y experimental para los datos tomados
con el generador de ondas (métodos de superposición de ondas y método de Lissajjous.
CASO 1:

CASO RC (R VARIABLE)
ORDEN RESISTENCIA SUPERPOSICION LISSAJOUS TEORICO
N° R (kΩ) ф (ms) ф (°) ф (°) ф (°)
1 1.00 1.73 37.368 37.397 -37.016
2 1.50 2.25 48.600 46.849 -48.517
3 2.00 2.65 57.240 56.311 -56.450
4 2.50 2.85 61.560 61.176 -62.053
5 3.00 3.00 64.800 66.444 -66.150
Tabla 05: Cálculos teóricos y experimentales en el circuito RC (R variable).

CASO RC (C VARIABLE)
ORDEN CAPACITOR SUPERPOSICION LISSAJOUS TEORICO
N° C (µF) ф (ms) ф (°) ф (°) ф I (°)
1 3.00 2.20 47.52 47.52 -48.52
2 3.50 2.44 52.70 52.34 -52.84
3 4.00 2.60 56.16 56.44 -56.45
4 4.50 2.73 58.97 58.21 -59.48
5 5.00 2.86 61.78 62.25 -62.05
Tabla 06: Cálculos teóricos y experimentales en el circuito RC (C variable).

CASO 2:

CASO RL
ORDEN RESISTENCIA INDUCTOR SUPERPOSICION LISSAJOUS TEORICO
N° R (kΩ) L (H) ф (ms) ф (°) ф (°) ф (°)
1 1.00 2.00 2.43 52.488 52.610 52.984
2 1.50 2.50 2.68 57.888 57.668 57.858
3 2.00 3.00 2.77 59.832 60.074 60.512
4 2.50 3.50 2.88 62.208 62.370 62.175
5 3.00 4.00 2.91 62.856 62.862 63.313
Tabla 07: Cálculos teóricos y experimentales en el circuito RL.

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10.5 Además del desfasaje entre las ondas para qué nos puede servir las curvas de Lissajous.

Entre las aplicaciones tenemos:

✓ Los lectores ópticos de código de barras usados en supermercados para verificar


los precios. Cuentan con un arreglo mecánico que permiten la lectura del código
de barras a través de un haz de luz que genera figuras de Lissajouss.
✓ En el encriptado de datos que son comunicados por fibras ópticas, es decir, para
que, en caso de que alguien robe la señal, no pueda descifrarla con facilidad.
✓ En el análisis de circuitos permiten el estudio de tensiones variables con el tiempo
y de forma indirecta de otras magnitudes relacionadas con la tensión.
✓ Determinar la frecuencia de sonidos o señales de radio.

10.6 Explicar ¿Por qué se mide el desfase entre la tensión en los bornes de la resistencia y la
tensión de entrada?

El desfasaje se mide de ese modo debido a que la corriente que se desea comparar con
la tensión aplicada al circuito, se encuentra en fase con la caída de tensión que se genera
en la resistencia. Es así como esta caída de tensión sirve de modo indirecto para medir
el desfase de la corriente con la tensión aplicada al circuito.

10.7 ¿Cuáles son las posibles causas de error en las mediciones?

El error mas probable pudo haber sido por la máquina del generador de ondas y el
osciloscopio. Debido a que el desfasaje se midió de manera virtual se pudo haber
cometido el error al momento de tomar el dato por parte de la persona encargada. Los
errores producto del uso del transformador conectado a una red domestica y los errores
dados por la maquina del generador de ondas y el osciloscopio no se pudieron notar
porque la experiencia se desarrollo de manera virtual.

10.8 Explicar ¿qué otros métodos existen para medir el desfasaje de dos ondas sinusoidales?

El método que conocemos es de la experiencia anterior de las figuras de Lissajouss: Para


calcular el ángulo de fase mediante el método, primero calculamos A, que son los puntos
de intersección con el eje Y, calculamos B, son los puntos que intercepta al eje X. esto es
fácil de obtener contando las divisiones en cada longitud. Por último, el ángulo de desfase
esta dado por:

𝐴
∅ = sin−1 ( ) , 𝑆𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 ∅: 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑓𝑎𝑠𝑎𝑗𝑒
𝐵

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Fig. 24: Curvas de Lissajous

10.9 ¿Qué diferencias existen en las ondas sinusoidales obtenidas al utilizar el generador de
ondas y el autotransformador? ¡A qué se deben estas diferencias?
Debido a que desarrollamos la experiencia en el software de simulación no pudimos notar
mayor diferencia entre las ondas generadas por el generador de ondas y el
autotransformador.

11 CONCLUSIONES

✓ Se confirmo que existe diferentes maneras de comprobar si una onda esta atrasada o
adelantada, además de encontrar el ángulo de desfase.
✓ En el circuito RC se muestra el valor de la tensión del condensador esta atrasada al valor
de la tensión Vg.
✓ En el circuito RL se muestra el valor de la tensión del inductor adelanta al valor de la
tensión de la fuente Vg.
✓ Con ayuda del osciloscopio se logra determinar los valores de los ángulos de fase tanto de
la tensión como los voltajes respectivos en los casos RC y RL usando el método estudiado.

12 RECOMENDACIONES

✓ Luego de elegir los valores de R-L o R-C es conveniente calcular el ángulo de desfasaje
teóricamente primero para así poder elegir otro valor de R, L o C si es necesario, ya que no
es recomendable trabajar con ángulos cercanos a 90° o 0° porque complican la toma de
datos en el osciloscopio.

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13 BIBLIOGRAFÍA

✓ Ing. Waldir Eloy Ayasta Mechan.2021. GUÍA DE LABORATORIO DE CIRCUITOS


ELÉCTRICOS II (ML – 125). Recuperado de:
https://www.campusvirtualfim.com/pluginfile.php/214820/mod_resource/content/1/Guia%20
de%20Laboratorio%20ML-125.pdf
✓ [1]De Kahn academy. Establecer la respuesta natural del circuito RL. Recuperado de:
https://es.khanacademy.org/science/electrical-engineering/ee-circuit-analysis-topic/ee-
natural-and-forced-response/a/ee-rl-natural-response
✓ [2]De Kahn academy. Deducción formal de la respuesta natural de un circuito \text{RC}RC.
Recuperado de:
https://es.khanacademy.org/science/electrical-engineering/ee-circuit-analysis-topic/ee-
natural-and-forced-response/a/ee-rc-natural-response
✓ [3]De ehu. 2013. superposición de ondas. Recuperado de:
http://www.ehu.eus/acustica/espanol/basico/suones/suones.html
✓ [4]De Ucm. Figuras de Lissajous. Pag 22. Recuperado de:
https://www.ucm.es/data/cont/docs/76-2013-07-11-05_Lissajous_figures.pdf
✓ [5]De Wikipedia. 30 abr 2021. Generador de señales. Recuperado de:
https://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_se%C3%B1ales#:~:text=Un%20generador%20d
e%20se%C3%B1ales%2C%20de,peri%C3%B3dicas%20tanto%20anal%C3%B3gicas%20c
omo%20digitales.
✓ [6]De Instrumenros.Osciloscopio. Recuperado de:
https://www.finaltest.com.mx/product-p/art-
9.htm#:~:text=Un%20osciloscopio%20es%20un%20instrumento%20de%20medici%C3%B3
n%20para%20la%20electr%C3%B3nica.&text=El%20osciloscopio%20presenta%20los%20
valores,Y%20(vertical)%20representa%20tensiones.
✓ [7]De Circuitos Electrónico II. Tipos de Resistores. Pág. 03. Recuperado de:
https://catedra.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/electronicos2/download/Herramientas/Resistore
s.pdf
✓ [8]De Manual de seguridad y aplicación. 2017. Condensadores en Corriente Alterna. Pag 9.
Recuperado de:
https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h06/h61/WEG-10005056256-condensadores-
en-corriente-alterna-manual-de-seguridad-y-aplicaciones-es.pdf
✓ [9]De Wikipedia. 2012. Inductor. Recuperado de:
https://es.wikipedia.org/wiki/Inductor

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