EB-3124 Ver 1_13 SP

Arieh Nachum

Magnetismo, Inducción y Transformadores EB-3124

Arieh Nachum

Magnetismo, Inducción y Transformadores EB-3124 1_13 © Derechos Derecho s reservados reservado s DEGEM SYSTEMS. Se prohíbe la reproducción, duplicación, impresión, traducción, re-edición o transmisión del material de este libro sin previo consentimiento por escrito de DEGEM.

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I

Contenidos Prefacio............................................................................................................ II Experimento 1 – Electroimán y Solenoide.................................................... 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

Imán ...................................................................................................... 1 Campos magnéticos .............................................................................. 4 Magnetismo y electricidad.................................................................... 5 Magnetismo propio y Inducción mutua ................................................ 9 Permeabilidad magnética .................................................................... 11 Hysteresis magnética .......................................................................... 14 Electroimán ......................................................................................... 15 Solenoide ............................................................................................ 16 Señal PWM ......................................................................................... 17

Experimento 2 – El Transformador ............................................................ 28 2.1 2.2

Fuerza electromotriz inductiva ........................................................... 28 El transformador ................................................................................. 30

Experimento 3 – Solución de Problemas .................................................... 36

EB-3124 – Magnetismo, Inducción y Transformadores

II

Prefacio Los Experimentos en este laboratorio deben ser implementados usando el entrenador Universal EB-3000 y la tarjeta EB-3121. El módulo incluye los siguientes Instrumentos y componentes:             

5 Fuentes de Alimentación: +12VDC, +5VDC, -5VDC, -12VDC y -12VDC a +12VDC. 2 Voltímetros. Amperímetro. Contador de Frecuencia a I MHZ. Probador Lógico (Alto, Bajo, Abierto, Pulso, Memoria). Analizador lógico con 8 entradas Digitales y entrada de Disparador. Osciloscopio de 2 Canales (con Analizador Espectral). Generador de Funciones (Sinusoidal, Cuadrada, y Triangular). Pantalla Táctil LCD de 3.2 pulgadas de colores. Teclado de 21 teclas para expansión de teclado. 10 Relees internos para inserción de fallas. Conexión USB para PC. Módem Inalámbrico para comunicación con estación de Control.


III

Las Tarjetas Del EB-3000: Electricidad y Electrónica EB-3121

Circuitos de CC y Leyes de Ohm y Kirchoff

EB-3122

Norton, Thevenin y superposición

EB-3123

Circuitos de corriente alterna, señales y filtros

EB-3124

Magnetismo, electromagnetismo, inducción y transformadores Dispositivos Semiconductores

EB-3125

Diodos, Zener, bipolares y transistores FET características y circuitos de corriente continua

EB-3126

Bipolares y amplificadores de transistor FET

EB-3127

Semiconductores industriales - SCR, Triac, Diac y PUT

EB-3128

Semiconductores optoelectrónicos - LED, fototransistor, LDR, 7-SEG.

EB-3129

Componentes de control eléctrico y circuitos Electrónica Linear

EB-3131

Amplificadores operacionales tipo: Inversor, no inversor, sumador, restador

EB-3132

Amplificadores operacionales tipo: Comparadores, integrador, diferenciador, filtro

EB-3135

Amplificadores de potencia

EB-3136

Fuentes de alimentación y reguladores

EB-3137

Osciladores, filtros y amplificadores sintonizados Motores, Generadores e Inversores

EB-3141

Control de velocidad del motor analógica PWM DC, control de motor paso a paso, generadores

EB-3142

Control del motor - óptico, efecto Hall, motor de control cerrado

EB-3143

AC-DC y DC-AC circuitos de conversión

EB-3144 EB-3145

Control del motor trifásico Módulo de accesorios eléctricos

EB-3146

Módulo de encendido y carga

Lógica digital y dispositivos programables EB-3151

AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR componentes lógicos y álgebra booleana

EB-3152

Decodificadores, multiplexores y sumadores

EB-3153

Flip-flops, registros y contadores de circuitos lógicos secuenciales

EB-3154

Circuitos con 555, ADC, DAC

EB-3155

Familias lógicas

Tecnología de Microprocesador y Microcontrolador EB-3191

Introducción a los microprocesadores y microcontroladores

EB-3192

Introducción a los microprocesadores de 32 bits y ARM

EB-3193

Introducción a los microprocesadores 16 bits y AVR

EB-3194

Introducción a Linux embebido con ARM

EB-3198

Dispositivo lógico programable


IV

La tarjeta EB-3124 está conectada al EB-3000 a través de un conector de 48 pines industrial. El EB-3000 tiene un Microcontrolador incorporado que identifica (para el sistema EB-3000) la tarjeta experimental que se inserto y comienza un chequeo automático. La siguiente figura describe la tarjeta experimental EB-3124.

EB-3124 Diagrama del panel


V

El método de experimento: El sistema utiliza por razones de seguridad una fuente de alimentación conmutada externa. La salida de la fuente de alimentación de baja tensión se convierte a los 5 voltajes de los reguladores lineales para reducción de ruido. Dos potenciómetros en el panel se utilizan para fijar el voltaje y la amplitud del generador de funciones. El sistema desconecta las tensiones en la sobrecarga y la muestra de un masaje sobre eso. Las tarjetas insertables están conectadas directamente al sistema sin ningún tipo de cable plano para eliminar ruido y la reducción de la resistencia. Los 10 relés que son de tipo “change over” pueden cambiar los componentes activos y pasivos. Cada una de la selección de configuración de relés se guarda en una memoria no volátil que se encuentra en la tarjeta insertada. Los componentes se encuentran en la tarjeta con la impresión de serigrafía del circuito de análisis y símbolos de los componentes. La parte central de la tarjeta experimental incluye todos los diagramas de bloques de circuitos y todos los puntos de prueba y zócalos tipo banana. Los componentes protegidos están situados en el lado superior de la placa del circuito, claramente visible para el estudiante y protegido por una cubierta transparente resistente. El conectar la placa del Experimento, se envía un mensaje al EB-3000, que incluye el número de la tarjeta y cual de sus bloques son defectuosos. Si hay un módulo defectuoso (Bx), se visualiza en la pantalla. La tarjeta experimental se comprueba mientras se está conectado. Por esta razón, durante la inserción, ningún cable de conexión se debe conectar en la tarjeta de Experimento. 5 LED se deben encenderse en la parte superior derecha.


VI

El sistema incluye 5 salidas de la fuente de alimentación. El sistema comprueba las tensiones y activa los LEDs en secuencia. 12V – LED rojo +5V – LED naranja -5V – LED amarillo -12V – LED verde La tensión de un quinto de voltaje variable (Vvar)es controlada por un potenciómetro deslizante. El LED de la Vvar es a la vez verde y rojo: cuando la tensión es positiva Vvar - el color es rojo y cuando es negativo - el color es verde. No hay salidas para las tensiones de alimentación en el panel de TSP-3100. Las tensiones se suministran sólo en el conector de clavija de 48 pines. Las placas de Experimentación toman estas tensiones desde el conector de 48 pines.

Pantallas del EB-3000 El sistema cuenta con 3 pantallas de funcionamiento: DVM, osciloscopio y fallas. Pasar de una pantalla a otra se realiza mediante las opciones de clave o de gráficos. El teclado es siempre en la posición de bloqueo numérico. Las teclas también se pueden utilizar como teclas de función. Para hacerlo, tendremos que pulsar una vez la tecla Num Lock y luego en la tecla deseada. El teclado retorna automáticamente al modo Num Lock. En la pantalla del osciloscopio, pulsando la tecla Num Lock y luego la tecla digital cambiará la pantalla a la pantalla de señal digital. Al pulsar la tecla Num Lock y luego la tecla analógica va a cambiar la pantalla a la pantalla de señal analógica.


VII

Pantalla del DVM DVM V1 [V] 0.00 V2–V1 [V] 0.00 Fout [KHz] 5.00

V2 [V] 0.00 I [mA] 0.0 Cin [Hz] 5.00

I (+5V) [mA]

I (+12V) [mA]

0

0

I (–5V) [mA]

I (–12V) [mA]

0

0

Num Lock

V1 es la tensión medida entre V1 de entrada y GND. V2 es la tensión medida entre V2 entrada y GND. V2-V1 es la tensión medida entre V1 y V2. Nos permite medir la tensión de flotación. I es la corriente medida entre A + y entradas A. Cin muestra la frecuencia se mide en la entrada de Cin. El EB-3000 incluye un generador de funciones. La frecuencia del generador de funciones se muestra en el campo Fout y se puede configurar con las teclas de flecha o escribiendo los valores requeridos. La salida de onda cuadrada está marcada con el signo

.

Cerca de la salida de señal analógica hay un interruptor de sine / triángle marcado con las señales / .


VIII

Pantalla del Osciloscopio

CH1 3.0VCH2

3.0V t 50 s

CH1

1.0V

Num Lock Analog Run

El osciloscopio y los parámetros de visualización (CH1 Volt/div, CH2 Volt/div, time base Sec/div, Trigger Channel, Trigger rise/fall, Trigger Level) aparecerán en la parte inferior de la pantalla. Las teclas de flecha arriba y abajo muestran uno de los campos de abajo. El campo requerido se puede seleccionar tocándolo y se puede cambiar con las flechas arriba y abajo. La amplitud generador de funciones es cambiada por el potenciómetro de amplitud. La toma de muestras en la pantalla se puede detener pulsando la tecla Num Lock y luego presionando la tecla Stop (Tecla 8). Realización de una sola toma de muestras se realiza pulsando la tecla Num Lock y luego pulsando el Single (Tecla 9). Correr de nuevo la toma de muestras se realiza pulsando la tecla Num Lock y luego presionando el botón Run (Tecla 7).


IX

Pantalla Digital Al pulsar la tecla Num Lock y luego la tecla digital en la pantalla del osciloscopio muestra la pantalla digital. D0

D0

D1

D1

D2

D2

D3

D3

D4 D5 D6

D4 D5 D6

D7

D7 t 50 s

TRIG

Num Lock Digital Run

Compruebe que. El analizador lógico incluye 8 entradas digitales y una entrada de señal de disparo. El controlador espera un pulso de disparo y cuando se encuentra con un pulso de disparo muestrea las 8 entradas digitales. Si un pulso de disparo no se encuentra la toma de muestras será de acuerdo a la base de tiempo. La toma de muestras en la pantalla se puede detener pulsando la tecla Num Lock y luego presionando la tecla Stop (Tecla 8). Realización de una sola toma de muestras se realiza pulsando la tecla Num Lock y luego pulsando Single (Tecla 9). Correr de nuevo la toma de muestras se realiza pulsando la tecla Num Lock y luego presionando el botón Run (Tecla 7).


X

La sonda Lógica El EB-3000 incluye una sonda Lógica con 5 LEDs que indican el estado de entrada de la sonda lógica (LP) - Alta, Baja, Open (sin conectar), Pulsos y de memoria (registro de pulso único). La sonda lógica también tiene un interruptor TTL / CMOS que determina qué nivel lógico se selecciona. Cuando el LP se conecta a un punto con un golpe de tensión (0,8 V para TTL) o (1.3V para CMOS), la L LED verde debe encenderse. Cuando el sistema LP está conectado a un punto con un voltaje por encima de 2.0V (para TTL) o de 3,7 V (para CMOS), el H LED rojo debe encenderse. La tensión entre estos niveles se activa el LED OP naranja.

Pantalla de fallas El EB-3000 incluye 10 relés para la inserción de averías o para cambiar los componentes externos. La pantalla de errores es seleccionado por las opciones o clave Gráfico.

FAULTS Please choose Fault No.: 0–9 Activated fault Number: 0 Num Lock

Al escribir un número falta y pulsar ENTER opera el relé requerido para el fallo requerido. Fallo N º 0 significa ausencia de falla. ¿Qué relé crea la falla está inscrita en el controlador de la tarjeta del Experimento.


XI

Al entrar un número de falla, el sistema se refiere a la tarjeta controladora Experimental y pide el número del relé. Después de eso, se ejecuta la falla requerida. El controlador de la tarjeta Experimental guarda el último número de falla registrada en su memoria. Esta memoria es no volátil. Esto es por qué el sistema no nos permite introducir un número de falla cuando no hay una tarjeta insertada. Cuando una tarjeta experimental tiene una falla determinada (distinto de cero) se registra en su memoria, y está conectada al sistema, un mensaje de advertencia aparece en la pantalla del sistema. Esta característica permite al maestro dar a los estudiantes tarjetas ya con las fallas activadas para la solución de problemas.

Nota: Se recomienda (a menos que se lo requiera), resetear el numero de falla de falla a cero antes de desconectarla.


XII


Experimento 1 – Electroimán y Solenoide Objetivos:   

Conocimiento del imán. Electroimán y magnetismo remanente. Conocimiento del solenoide.

Equipo requerido:   

EB-3000 EB-3124 Cables de conexión

Discusión: 1.1

Imán

Hace más de dos mil años los griegos descubrieron en la ciudad de Magnesia localizada en Turquía, piedras que atraían al hierro. A estas piedras las llamaron imanes por el nombre de la isla donde las encontraron. Con el tiempo, se descubrió que barras de imane que se pusieran en una línea o colgados de un cable, se movían y organizaban siempre apuntando a una misma dirección. Siempre el mismo lado apuntaba al norte, y el otro hacia el sur. De acá sale que los nombres de las puntas de un iman se llamen polos – el polo norte y el sur. La brújula es de hecho una barra magnética que flota en un líquido que permite su movilidad hacia el norte. Otro fenómeno que se descubrió fue que los polos iguales se rechazaban entre sí, y que los polos contrarios, se atraían entre sí. El polo norte rechaza el otro polo norte y atrae el del sur, y de la misma manera el polo sur rechaza al del sur y atrae al del norte.

También el polo norte y el del sur atraen y son atraídos al hierro. La razón de esto, proviene de las características del hiero mismo. Si se acerca un imán a un hierro, convierte a éste último en un imán. El hierro tiene características de magnetismo, que se denomina ferromagnetismo (magnetismo del hierro). Ferro viene de la palabra Ferrum (hierro) Materiales adicionales con características magnéticas se denominan materiales ferromagnéticos. Cada material en la naturaleza contiene imanes pequeños dentro de sí. Cada imán tiene sus dos polos, el norte y el sur. Los imanes están en desorden, y por lo tanto los polos norte, anulan la influencia de los polos del sur y lo mismo al contrario.

N – North S – South

N S Single Molecule

Figura 1-1 En un imán, parte importante de los imanes pequeños tienen una distribución más organizada.

Figura 1-2

En el lado más norte del imán, se posicionan los polos de tipo norte y en el lado sur del imán, se posicionan los polos tipo sur. En el medio del imán no existe una atracción magnética debido a que los polos se anulan entre si. En el hierro, una gran parte de los imanes internos se pueden movilizar. Cuando acercamos el hierro al imán, se organizan los imanes internos en la dirección apropiada. Si acercamos el polo norte del imán al hierro, se organizarán los imanes internos de tal manera que los polos del sur de estos, apuntarán a la dirección del imán y los polos del norte hacia el lado contrario (para poder alejarse del polo norte). El hierro se convierte así en un imán, un imán con sus polos inversos al imán que recién acercamos y por lo que se atrajo a él. Si acercamos otro hierro al hierro que recién magnetizamos, se atraerá este hierro al otro hierro de igual manera.

1.2

Campos magnéticos

La atracción magnética no depende de un medio específico. Ella existe incluso en el espacio. La atracción magnética se debilita cuanto más lejos se esté de los polos del imán. La influencia magnética de los polos, trabaja en todas las direcciones. De otro lado, un imán que se encuentra cerca a uno de los polos, se influenciará más de este polo que del otro polo más lejano. Si colocamos una limadura de hierro en una superficie alrededor del imán, los pequeños pedazos de hierro se convertirán en imanes mismos. Si agitamos la superficie, los pequeños imanes se organizarán alrededor del imán de la siguiente manera:

N S

Figura 1-3 Los imanes se organizarán a lo largo de las líneas descritas en el gráfico. Esos que estén en el centro, sentirán una influencia similar proveniente de los dos polos, y por lo tanto se organizarán paralelamente a la barra del imán. Los otros obtendrán su inclinación de acuerdo a su cercanía a uno de los polos. Las líneas del gráfico describen la influencia de atracción magnética y se denominan líneas de campo magnético. El campo magnético es el sector de influencia del imán.

1.3

Magnetismo y electricidad

En el pasado se pensaba que las cualidades magnéticas de un material eran cualidades que no tenían ninguna relación con otras cualidades del material. En el siglo 19 se descubrió que existe una relación entre magnetismo y corriente eléctrica. Cuando acercaron una brújula al lado de un conductor por el que fluía corriente eléctrica, la punta de la brújula cambió su dirección de acuerdo a la posición alrededor del conductor de corriente.

Magnetic Compasses

Electric Current

Figura 1-4

Alrededor del conductor que lleva corriente eléctrica, se produce un campo magnético circular. La dirección del campo magnético está definida por la ley que define la ley de la mano derecha.

Figura 1-5 Cuando el pulgar apunta hacia la dirección de la corriente en el conductor, las líneas del campo magnético se mueven en la misma dirección de los dedos. Si doblamos el conductor eléctrico en forma de anillo, y si fluye corriente por el conductor, recibiremos dentro del anillo una concentración de líneas de campo magnético las cuales todas están en la misma dirección.

Conductor Wire carrying current

Figura 1-6

Dentro del anillo, que se denomina arrollamiento, se obtiene un campo magnético más fuerte. Si producimos desde el conductor un mayor número de espiras, obtendremos una bobina eléctrica, donde su campo magnético estará en el centro mismo de ella. Observamos que un campo magnético se obtiene del movimiento de las cargas eléctricas. También los imanes pequeños que existen dentro del material se influencian del movimiento de las cargas. Las cargas que se mueven dentro del material son electrones. El electrón tiene dos tipos de movimiento circular. Uno es alrededor del núcleo, y otro es alrededor de sí mismo. Este último movimiento se denomina Spin. El Spin genera el campo magnético más fuerte. En los materiales ferromagnéticos, una influencia magnética externa hace que los electrones se organicen de tal manera, que el campo magnético que se genera como resultado de su spin, es similar a las líneas del campo magnético externo.

1.4

Magnetismo propio e Inducción mutua

Así como vimos en el anterior numeral, alrededor del conductor, al fluir una corriente, aparece un campo magnético. Este campo magnético se denomina inducción magnética (de la corriente). La unidad del campo magnético es el Weber. Para expresar el tamaño de un campo magnético, usamos el término flujo magnético y éste depende del tamaño de la distancia al conductor, de acuerdo a la siguiente fórmula: B0

0

I

2 a

B - Densidad de flujo del campo magnético en un punto específico a

- distancia del punto al conductor

[n2]

I

- Magnitud de la corriente en el conductor

[A] Wb

µ0 - Constante denominada frecuencia magnética

Wb m

2

A m

La concentración del flujo magnético en el corte del arrollamiento, es igual en todos los puntos del corte, y su valor se calcula de acuerdo a la siguiente fórmula: B0

0

I

2r

r – radio del arrollamiento circular En una bobina de N vueltas o espiras concentrados obtendremos una densidad de flujo magnético: B0

0

NI

2r

Si la bobina es de largo 1, obtendremos una densidad de flujo magnética de acuerdo a la fórmula: B0

NI 0

l

En la última fórmula se habla de una densidad de flujo magnético de una bobina cuya longitud es 1, mucho más largo que su radio y para nada cerca a las puntas de la bobina. Esta bobina se llama solenoide. Las líneas del campo magnético en el solenoide se ven en la siguiente forma: c

d x

b

a

Figura 1-7 Por fuera, el comportamiento del solenoide es similar al comportamiento de un imán común. La diferencia es que dentro de los espiras del solenoide existe un campo magnético con una dirección definida.

Si creamos una bobina con un arrollamiento en forma de anillo, obtendremos un componente que se denomina toroide

Figura 1-8 En esta bobina todo el flujo magnético fluye dentro de la bobina y no sale más adelante. Debido al flujo de corriente en los espiras de la bobina, no se siente éste en todo el campo magnético fuera de la bobina.

1.5

Permeabilidad magnética

La fórmula del flujo de densidad magnético en la bobina: NI

B0

0

l

Se refiere a la bobina en el vacío (en el aire el resultado será similar) NI

es el agente que produce el campo magnético. Está simbolizado con la letra H y se considera la magnitud magnética de la bobina. l

H

NI l

La densidad de flujo magnético depende de la magnitud magnética y de la permeabilidad magnética del medio en el vacío:

B0

0

H

Si introducimos un material ferromagnético (material que se permita magnetizar) dentro de la bobina, este material se convertirá en un imán y aumentará la densidad magnética, de acuerdo a las cualidades ferromagnéticas del material. B

Km

NI 0

l

Km

0

H

K m es la permeabilidad relativa del material. La multiplicación K mµ0 se define como la permeabilidad del material y lo simbolizamos con la letra µ. Km B

H

0

1.6

Hysteresis magnética

La fórmula: B

H

Cuando: H

NI l

Describe, en teoría, una relación lineal entre B y H o entre B y I. Pero no es así. Cuando el núcleo de la bobina no está magnetizada y aumentamos a H en etapas (por medio de un aumento de la corriente en los espiras), aumentará la densidad de flujo magnético de la siguiente forma: B

H

Figura 1-9 En la etapa inicial va a crecer B con una gran inclinación relativamente y posteriormente, cambiará a una menor inclinación. La razón de esto, es que al principio la influencia de H en la magnetización del núcleo es grande, pero en determinado momento, llega este núcleo a una magnetización máxima y no aumenta más. El núcleo llega a su estado de saturación. Si disminuimos ahora a H en etapas, no se disminuirá B de acuerdo al dibujo descrito en el gráfico. Cuando H sea igual a 0 (cuando I vale 0), existirá un flujo magnético en el núcleo, debido a que permanece magnetizado. Para acabar (poner en cero) el flujo magnético, se debe dar una H negativa (una corriente inversa).

La característica del flujo magnético dependiendo de H de la bobina, con un núcleo ferromagnético se aprecia de la siguiente manera: B c

h d

i

Br

f

b

a

j 0

e

m

g

H

Hc

l k

Figura 1-10

1.7

Electroimán

Una bobina por la cual fluye corriente, se convierte en un imán. La adición de un núcleo de material ferromagnético (normalmente hierro), fortalece de una manera considerable el campo magnético. La suspensión de la corriente debilita el campo magnético y deja un remanente magnético en el núcleo. Una bobina con núcleo de este tipo, se llama electroimán. Este es un imán que trabaja con corriente eléctrica. Debido a que se desea que la magnetización se suspenda con el corte del flujo de corriente, se usa un núcleo de hierro blando con un remanente magnético pequeño. Los electroimanes se usan para levantar pesos (cargas). Existen electroimanes que pueden levantar cientos de kilogramos.

El electroimán se encuentra además en todo relé eletromecánico. Un relé es un sistema en el cual el electroimán cierra sus contactos eléctricos cuando fluye corriente en su bobina. C

D

A

B

Figura 1-11 El flujo de de corriente entre A y B, genera la activación del electroimán y el cierre del interruptor conectado a los puntos C y D. La influencia del electroimán es limitado por el espacio (de milímetros hasta centímetros únicamente).

1.8

Solenoide

Por el término solenoide nos referimos a una bobina el cual su núcleo se mueve. Cuando se coloca una barra de hierro blando dentro de una bobina y se le introduce una corriente a esta bobina, se va a magnetizar el núcleo. Si ésta puede moverse, se moverá hasta que esté a una distancia equidistante entre los dos lados de la bobina. El solenoide es usado como una palanca para activar válvulas, llaves, y apertura de cerraduras en forma eléctrica. En el estado natural del solenoide, un resorte atrae el centro hacia afuera.

Figura 1-12

1.9

Señal PWM

Hay dos maneras de regular poder en un consumidor. Uno es una forma analógica cambiando el voltaje del consumidor. La segunda manera es suministrar al consumidor pulsos digitales y controlar el ancho de estos pulsos. La duración del ON del pulso dicta la intensidad de la potencia al consumidor. El consumidor reacciona a la tensión promedio de la señal. El siguiente diagrama describe dos señales PWM con diferentes voltajes promedio. Average Voltage

Average Voltage

Figura 1-13

Preguntas de preparación: 1.

¿Donde la fuerza magnética será mayor – en una bobina con un núcleo de hierro o en una bobina sin un núcleo de hierro? (a) (b) (c) (d)

2.

La fuerza magnética es mayor en una bobina con un núcleo de hierro. La fuerza magnética es mayor en una bobina sin un núcleo de hierro. La fuerza magnética será el mismo en ambos casos. Depende del grosor de alambre de la bobina.

Dos señales fueron suministradas a un electroimán.

Signal A

Signal B

¿Cuál de ellos crea una mayor fuerza magnética? (a) (b) (c) (d)

Señal A crea una mayor fuerza magnética. Señal B crea una mayor fuerza magnética. Ambas señales crean la misma fuerza magnética. Depende de la tensión.

3.

¿Qué sucederá cuando se presiona el pulsador? +12V

12V

(a) (b) (c) (d)

No pasará nada. El electroimán se apagara. El electroimán se enciende. El relé está activado y el electroimán está OFF.

Procedimiento: Paso 1:

Conecte el EB-3000 a la fuente de alimentación.

Paso 2:

Conecte la alimentación a la red.

Paso 3:

Encienda el entrenador. La pantalla DVM debe aparecer en la pantalla.

Paso 4:

Inserte el EB-3124 el EB-3000.

Paso 5:

Observe la pantalla y compruebe que el nombre de la tarjeta de experimento aparecen y no se detecta ninguna falla. El EB-3124 incluye los tomas de suministro de alimentación de + 1 2V. También incluye un generador de señal PWM digital y una fuente de poder AC 50/60Hz.

Paso 6:

Cuelgue un clip de papel en un hilo de coser de 2cm antes del transformador sin el núcleo. Este clip de papel funcionará como un péndulo y nos permitirá observar el poder del electroimán creado.

Paso 7:

Conecte la bobina primaria de transformador A (sin el núcleo) a 12V. +12V

GND

Paso 8:

Presionar el pulsador. Debe mover el clip hacia el transformador.

Paso 9:

Soltar el pulsador. El clip debe volver a su lugar original.

Paso 10: Conectar la tensión en la dirección opuesta. Nuevamente, debe mover el clip hacia el transformador. ¿Por qué? Paso 11: Volver la tensión a la dirección anterior. Paso 12: Insertar clips de papel al espacio dentro del transformador. Lo más que se agregarán más clips de papel, crecerá la energía electromagnética y el clip de papel ahorcado se acercara más al transformador. Paso 13: Después de llenar el transformador con clips de papel, compruebe el ángulo entre el clip ahorcado y el núcleo del transformador. Este es un tipo de un electroimán. Paso 14: Desconectar el transformador de la fuente de tensión. ¿Es el sujetapapeles soltarse completamente o se quedó en un determinado ángulo al transformador? Es razonable suponer que el clip se quedó en un cierto ángulo por el residuo magnético en el núcleo. Paso 15: Invertir la dirección de la tensión en el transformador. ¿Es el clip de papel rechazado o fue atraído nuevamente al transformador? ¿Explicar por qué? Paso 16: Saque los clips de papel del núcleo. Paso 17: Coloque un clip de papel en el agujero, pero tenga cuidado de que la mayor parte este afuera.

Paso 18: Presione el pulsador. El clip de papel saltará en el núcleo. Este es un tipo de un solenoide. Paso 19: Repita los Pasos 17 y 18 de diferentes maneras y desde diferentes direcciones. Paso 20: Conecte la bobina primaria del transformador B con el núcleo a los puntos + 12V y GND. +12V

GND

Paso 21: Poner el clip de papel en el núcleo del transformador. ¿Se pega el clip de papel al nucleo? ¿Es la función de núcleo como un electroimán? Probablemente no. Explique por qué.

Electroimán real: Paso 22: Implementar el el siguiente circuito usando usando el electroimán electroimán en B3. B3. +12V

Electromagnet

Paso 23: Traer el clip atrapado atrapado cerca el electroimán. electroimán. Paso 24: Presione el interruptor y observar el movimiento movimiento del clip. El ángulo de la rosca de clip de papel representa la intensidad de la fuerza del electroimán. El circuito con FET en B2 se utiliza como un circuito controlador para el electroimán. Paso 25: Suelte el interruptor interruptor pulsador y observar el clip moviendo moviendo hacia atrás. atrás.

Paso 26: Podemos controlar la intensidad de electroimán utilizando la señal PWM. También debemos utilizar el controlador de FET en B2. Implementar el siguiente circuito: +12V CH1

PWM Signal

R2 10K

Electromagnet

R1 1M

Paso 27: Conecte la salida del generador de señal PWM a la sonda CH1 del osciloscopio. Paso 28: Girar el potenciómetro de generador PWM y observar el efecto de la intensidad del electroimán.

El Rele: Paso 29: El relé es un electroimán que manipula un conmutador, como el de la EB-3124. Implementar el siguiente circuito: +12V +12V Electromagnet

Relay

Paso 30: Presionando el interruptor pulsador funcionará funcionará el relé (oirá un clic) y cerrara el circuito del electroimán con la fuente de poder de 12V. Presionar el pulsador y comprobar el comportamiento de electroimán y relé. Paso 31: Suelte el clip atrapado.

Solenoide real: Paso 32: Implementar el siguiente siguiente circuito: +12V

Solenoid

Paso 33: El solenoide contiene una varilla interna interna con un resorte. Presione el interruptor pulsador. La varilla debe entrar en el solenoide. Paso 34: Soltar el pulsador pulsador y la varilla debe debe salir del del solenoide debido al resorte. resorte.

Preguntas de resumen: 1.

?Donde la fuerza magnética será mayor – en una bobina con un núcleo de hierro o en una bobina sin un núcleo de hierro? (a) (b) (c) (d)

2.

La fuerza magnética será la misma en ambos casos. Depende del grosor de alambre de la bobina. La fuerza magnética es mayor en una bobina con un núcleo de hierro. La fuerza magnética es mayor en una bobina sin un núcleo de hierro.

Dos señales fueron suministradas a un electroimán.

Signal A

Signal B

?Cuál de ellas crea una mayor fuerza magnética? (a) (b) (c) (d)

Señal A crea una mayor fuerza magnética. Ambas señales crean la misma fuerza magnética. Depende de la tensión. Señal B crea una mayor fuerza magnética.

3.

¿Qué sucederá cuando se presiona el pulsador? +12V +12V Electromagnet

Relay

(a) (b) (c) (d)

El relé está activado y el electroimán está apagado. El electroimán se enciende. El electroimán se apaga. No pasará nada.

Experimento 2 – El Transformador Objetivos:   

Conocimiento del transformador. Función del núcleo del transformador. Transformador de corriente directa y de corriente alterna.



Discusión: 2.1

Fuerza electromotriz inductiva

Así como vimos anteriormente, una corriente eléctrica en un arrollamiento o bobina genera la aparición de un campo magnético dentro del mismo arrollamiento o bobina. Resulta que si cambiamos el flujo magnético, de cualquier manera, en el arrollamiento, se inducirá un voltaje eléctrico entre los terminales de la bobina. El voltaje eléctrico es una función de la velocidad de cambio. A este voltaje se le denomina fuerza electromotriz inducida. Si denotamos el flujo magnético con la letra "φ", entonces la fuerza electromotriz (F.E.M) inducida es: E

t

En una bobina con N espiras obtendremos la FEM inducida siguiente: E

N t

Si la espira o la bobina están cerradas en un circuito eléctrico, fluirá en ellos una corriente de acuerdo a la FEM inducida. Esta corriente se denomina corriente inducida.

Ley de Lenz: Lenz definió una norma útil para fijar la dirección de la corriente inducida: "La corriente inducida en un circuito fluye en tal tendencia, que ella se opone con su actividad magnética a la razón misma que la creó". Es decir, si el flujo magnético es pequeño, se inducirá un voltaje el cual intentará aportar corriente en el arrollamiento de tal manera que se aumente el flujo magnético, y viceversa. Si acercamos un imán a la bobina eléctrica o pasamos un imán al lado de una bobina eléctrica, se inducirá una FEM en los terminales de la bobina como se demuestra en la siguiente figura:

N S

Figura 2-1 La dirección de la FEM inducida es de acuerdo a la dirección de las espiras y a la ley de Lenz.

2.2

El transformador

Nosotros podemos cambiar el flujo magnético de una manera adicional. Si tomamos dos bobinas, que están organizadas de tal manera que el flujo magnético producido en una de ellas, pasa también a la otra bobina. Si cambiamos la corriente en la bobina uno, esto generará un cambio en el flujo de las dos bobinas y aparecerá una FEM inducida en la segunda bobina. A este sistema se le llama transformador. Se puede enrollar una bobina sobre otra bobina, y es posible usar un núcleo cerrado para transferir el flujo magnético de una bobina a otra.

Figura 2-2 EL entrenador EB-3124 incluye dos transformadores idénticos con una distinción: un transformador (B) con núcleo y otro transformador (A) sin núcleo. Usaremos el transformador sin núcleo para demostrar el fenómeno electromagnético. El transformador (B) es bobinado como sigue:

Figura 2-3

Preguntas de preparación: En el siguiente transformador: A AC Power Supply B

NAB = 1000 NCD = 250 NDE = 250 1.

Si VAB = 6V, cuál será el valor de VCD? (a) (b) (c) (d)

2.

Si VAB = 6V, cuál será el valor de VCE? (a) (b) (c) (d)

3.

6V 3V 12V 1.5V

6V 3V 12V 1.5V

Si VCD = 3V, cuál será el valor de VAB? (a) (b) (c) (d)

6V 3V 12V 1.5V

C D E



Paso 2:


Paso 3:


Paso 4:

Inserte el EB-3124 al EB-3000.

Paso 5:

Observe la pantalla y compruebe que el nombre de la tarjeta de experimento aparecen y no se detecta ninguna falla. EB-3124 incluye los tomas de suministro de alimentación de + 12V. También incluye un generador de señal PWM digital y una fuente de poder AC 50/60Hz.

Paso 6:

Conecte la corriente continua de 12V a la bobina primaria del transformador B con el núcleo. +12V A

C D B

E

GND

Paso 7:

Mida el voltaje en las bobinas secundarias (CD, DE, CE). El voltaje debe ser 0V. El Transformador no pasa voltaje de CC.

Paso 8:

Conecte la bobina primaria del transformador B a la salida de suministro de potencia AC en el entrenador (TP3). A AC Power Supply B

Paso 9:

C D E

Conectar punto A CH1 y punto C a CH2.

Paso 10: Conecte los puntos B y E a GND. Paso 11: Mida el voltaje alterno entre las entradas AB. Escribirlo como VAB. Paso 12: Mida el voltaje alterno entre las entradas CE. Escribirlo como VCE. Paso 13: Calcular la relación de bobinados entre AB y CE. n AB/CE

VAB VCE

Paso 14: Conecte el punto D a GND. Paso 15: Mida la tensión VCD entre las salidas CD. Paso 16: Calcular la relación de bobinado entre AB y CD. n AB/CD

VAB VCD

Paso 17: Conecte el punto D a CH2 y punto E a GND. Paso 18: Mida la tensión VDE entre las salidas DE.

Paso 19: Calcular la relación de bobinados entre AB y DE. n AB/DE

VAB VDE

Paso 20: Verifica que: VCE

VCD

VDE

Paso 21: Conecte la fuente de alimentación de CA a bobina secundaria CD. Paso 22: Mida la tensión recibida en la bobina primaria AB. Paso 23: Comprobar si la relación entre VCD y VAB se mantiene. VAB

n AB/DC VCD

Paso 24: Conecte la fuente de alimentación de CA a bobina secundaria DE. Paso 25: Mida la tensión recibida en la bobina primaria AB. Paso 26: Comprobar si la relación entre VDE y VAB se mantiene. VAB

n AB/DE VDE

Paso 27: Conecte la alimentación eléctrica a la bobina primaria del transformador A sin el núcleo. A AC Power Supply B

C D E

Paso 28: Mida el voltaje en las bobinas secundarias CE, DC y DE. Paso 29: Comparar los valores que tienes con el transformador sin el núcleo y los valores que tienes con el transformador con el núcleo. Aunque tienen las mismas bobinas, los valores son diferentes.

Preguntas de resumen: En el siguiente transformador: A AC Power Supply B

NAB = 1000 NCD = 250 NDE = 250 1.

Si VAB = 6V, cual será el valor de VCD? (a) (b) (c) (d)

2.

Si VAB = 6V, cual será el valor de VCE? (a) (b) (c) (d)

3.

1.5V 12V 6V 3V

1.5V 12V 6V 3V

Si VCD = 3V, cual será el valor de VAB? (a) (b) (c) (d)

1.5V 12V 6V 3V

C D E

Experimento 3 – Solución de Problemas Objetivos: 

El objetivo de este experimento es, solucionar problemas en circuitos eléctricos.



Discusión: El EB-3000 incluye 10 relés para inserción de fallas o para activar componentes externos. La pantalla de fallas es seleccionada por medio de la tecla Options/Graph.

FAULTS Please choose Fault No.: 0–9 Activated fault Number: 0 Num Lock

Tipiando un número de falla y presionando ENTER activa el relé de la falla seleccionada. Fault No. 0 significa no falla. El relé que active la falla seleccionada se registra en el controlador de la tarjeta de experimentación.

Cuando el número de falla es ingresado, el sistema accede el procesador de la tarjeta de experimentación para recibir el numero del relé, y activa la falla seleccionada. El controlador de la tarjeta de experimentación guarda la ultima falla registrada en su memoria, esta memora es no volátil. De esta forma el sistema no nos permite insertar una falla si no hay una tarjeta de experimentación insertada en la base. Cuando una tarjeta de experimentación tiene una falla (fuera de o) grabada en su memoria es insertada en una base, un mensaje aparece en la pantalla de la base. Esta opción permite al instructor dar tarjetas de experimentación a los alumnos con diferentes fallas insertadas.

Nota: Se recomienda (a menos que se lo requiera), resetear el numero de falla de falla a cero antes de desenchufarla.



Paso 2:


Paso 3:


Paso 4:

Inserte el EB-3124 el EB-3000.

Falla No. 1: Paso 5:

Use los componentes B1 y B4 y transformador B para implementar el siguiente circuito. A AC Power Supply B

Paso 6:

Entre falla no. 1. ?Cuál es la falla? (a) (b) (c) (d)

Bobina AB esta desconectada. Bobina DC esta desconectada. Bobina DE esta desconectada. No hay voltaje de la fuente.

C D E


Use los componentes B1 y B4 para implementar el siguiente circuito. +12V CH1

PWM Signal

Paso 8:

10K

Electromagnet

1M

Entre falla no. 2. ?Cuál es la falla? (a) (b) (c) (d)

La terminal D del transistor está desconectada. La terminal D del transistor está en corto circuito a GND. La terminal S del transistor está desconectada. No hay voltaje de la fuente.


Use los componentes B1 y B4 para implementar el siguiente circuito. +12V CH1

PWM Signal

10K

Electromagnet

1M

Paso 10: Entre falla no. 3. ?Cuál es la falla? (a) (b) (c) (d)

La terminal D del transistor está desconectada. La terminal D del transistor está en corto circuito a GND. La terminal S del transistor está desconectada. No hay voltaje de la fuente.

Falla No. 4: Paso 11: Use los componentes B2 y B3 para implementar el siguiente circuito. +12V +12V Electromagnet

Relay

Paso 12: Entre falla no. 4. ?Cuál es la falla? (a) La bobina del relé está desconectada. (b) El terminal común del relé interruptor está desconectado. (c) El terminal normalmente abierto del interruptor relé está desconectado. (d) No hay ninguna fuente de tensión.


Relay



Relay


Falla No. 7: Paso 17: Use los componentes B2 y B3 para implementar el siguiente circuito. +12V

Electromagnet

Paso 18: Entre falla no. 7. ?Cuál es la falla? (a) (b) (c) (d)

El interruptor pulsador está desconectado. El electroimán está cortocircuitado a GND. La bobina del electroimán está desconectada. No hay ninguna fuente de tensión.

EB-3124 Ver 1_13 SP

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