Práctica 4: Componentes Electrónicos Laura Valentina Garzón Güiza, Laura Camila Perdomo Garavito, Juan Felipe Romero Sanabria Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá Grupo de Taller 5, Grupo de Trabajo 4 Febrero 16 de 2017
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I.
OBJETIVOS
A. Objetivo general Comp omprender el funcionamiento y papel que desempeñan ñan compon ponentes electrónicos básicos al implementarlos en un circuito.
B. Objetivos específicos ● ● ● ● ●
II.
Recono Reconocer cer la impor importan tancia cia de los los transi transisto stores res y sus sus aplicac aplicacion iones. es. Analizar los componentes vistos y analizar cuáles pueden proteger el circuito en caso de cargas excesivas. Identificar Identificar los los diferente diferentess tipos tipos de interrup interruptores tores o pulsadores pulsadores y sus característic características. as. Reconocer la estructura de diferentes circuitos y la función que cumplen en el sus componentes. Calcul Calcular ar la carga carga y el volta voltaje je de los los condens condensador adores es de un circu circuito ito..
MARCO TEÓRICO
A. Conceptos ●
Capacitancia: Cant antidad dad de carga que pued puede e alma almace cena narr un disp dispos osititiv ivo o eléc eléctr tric ico o por por unid unidad ad de volt voltaj aje e apli aplica cado do entr entre e sus sus term termin inal ales es.. El dis disposi positi tivo vo más más comú común n que que alma almace cena na ener energí gía a de esta esta form forma a es el cond conden ensa sado dor. r. La rela relaci ción ón entr entre e la dife difere renc ncia ia de pote potenc ncia iall exis existe tent nte e entr entre e las las pla placas del condensador y la carga rga eléctrica almacenada en este, se describe mediante la siguiente expresión: Q C = C = V (1) Donde C representa la capacitancia, Q la carga y V el voltaje. Cuando encontramo amos condensadores res en serie rie, la carga es igual en cada uno de ellos y el voltaje si cambia dependiendo de la capacitancia que posea cada uno. La capacitancia almacenada equivalente se define por la siguiente expresión: 1 C eq C eq
=
1 C 1
+
1 C 2
+
1 Cn
(2)
Cuan Cuando do enco encont ntra ramo moss conde ondens nsad ador ores es en para parale lelo lo el volt voltaj aje e en cada ada uno uno de ello elloss va a ser ser el mism mismo o pero pero la carg carga a dife diferi rirá rá en cada cada cond conden ensa sado dorr depe depend ndie iend ndo o de su capa capaci cita tanc ncia ia.. En este este caso la capacitancia equivalente se define por: (3) Carga y descarga de un condensador: Al conectar un condensador en serie con una ressistenc re nciia, a un una a fuente de tens nsiión eléctrica (o com omú únmente, fuente de alimentación), la C eq = C 1 + C 2 + C 3 + C n
●
corriente empieza a circular por ambos. El condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en paralelo, las cargas empiezan a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga o energía almacenada en el condensador es nula. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando. -Carga:
-Descarga:
Donde V(t ) es la tensión en el condensador, Vi es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las placas del condensador, Vf es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final entre las placas del condensador, I(t ) la intensidad de corriente que circula por el circuito y RC es la capacitancia del condensador en faradios multiplicada por la resistencia del circuito en ohmios. ●
Circuito RC: Es un circuito compuesto por resistencias y condensadores, alimentados por una fuente eléctrica. Los circuitos RC pueden usarse para filtrar una señal, al bloquear ciertas frecuencias y dejar pasar otras. Entre las características de los circuitos RC está la propiedad de ser sistemas lineales e invariantes en el tiempo; reciben el nombre de filtros debido a que son capaces de filtrar señales eléctricas de acuerdo a su frecuencia. El tiempo de carga del circuito es proporcional a la magnitud de la resistencia eléctrica R y la capacidad C del condensador. El producto de la resistencia por la capacidad se llama constante de tiempo del circuito y tiene un papel muy importante en el comportamiento de este. (9) En la práctica se considera que el tiempo de carga t L se mide cuando el condensador se encuentra aproximadamente en la tensión a cargar (más del 99% de ésta), es decir, aproximadamente 5 veces su constante de tiempo. (10) La corriente máxima $I_max$ fluye cuando el tiempo inicial es 0 $(t=0)$. Esto es debido que el condensador está descargado, y la corriente que fluye se calcula fácilmente a través de la ley de Ohm, con:
III. MATERIALES Y HERRAMIENTAS A. Protoboard. Cantidad: 1 Protoboard. B. Condensador Electrolítico:
Un condensador o capacito eléctrico es un conjunto de dos superficies conductoras en influencia total, usualmente separadas por un medio eléctrico, que sirve para almacenar energía eléctrica que será liberada posteriormente. Para almacenar la carga eléctrica, utiliza dos placas o superficies conductoras en forma de láminas separadas por un material dieléctrico (aislante). Estas placas son las que se cargan eléctricamente cuando se conecta a una batería o a una fuente de tensión.En un condensador es importante tener en cuenta la capacidad (dada en Faradios), la máxima tensión de operación (dada en voltios), la polaridad (si la posee) y la tolerancia. Además de almacenar energía son muy utilizados para filtrar señales y se nombran según el dieléctrico que posean; así tenemos, condensadores electrolíticos, de poliéster, cerámicos, de tantalio, entre otros. El condensador electrolítico es un tipo de condensador que usa líquido iónico conductor como una de sus placas. Son valiosos en circuitos eléctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia, que conducen corriente continua pero no corriente alterna. Se usan para almacenar la carga, y moderar la tensión eléctrica de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. Este tipo de condensadores pueden tener mucha capacitancia y están dentro del grupo de condensadores que poseen polaridad.
Figura 1. Condensadores electrolíticos de diferentes tamaños , su simbología y gráfica de carga y descarga Cantidad: -2 Condensadores electrolíticos de 3300 µF (microfaradios).
-1 Condensador electrolítico de 3,3 µF. -1 Condensador electrolítico de 1 µF. D. Resistencias fijas. Cantidad: - 4 Resistencias de 120 Ω
- Resistencias variadas. E. LED. Cantidad: -2 LED. F. Interruptor:
Es un dispositivo pasivo que sirve para aislar o conectar dos partes de un circuito eléctrico permitiendo o no el flujo de corriente. Su expresión más sencilla consiste en dos contactos de metal inoxidable y el actuante. Los contactos, normalmente separados, se unen mediante un actuante para permitir que la corriente circule. El actuante es la parte móvil que en una de sus posiciones hace presión sobre los contactos para mantenerlos unidos. Los interruptores poseen aplicaciones en diversas áreas y son muy usados en la vida cotidiana como por ejemplo los interruptores para encender un bombillo; y en la industria para controlar el movimiento de motores. Algunos de los interruptores más conocidos son los industriales, domésticos, de cuchilla, de botón o pulsadores, entre muchos otros.
Figura 2. Imágen de interruptor y símbolo Cantidad: 1 Interruptor G. Pulsador normalmente abierto:
Es un tipo de interruptor que se mantiene cerrado mientras está oprimido, de lo contrario se encuentra abierto, es decir que mientras no esté oprimido no permite el flujo de corriente y al pulsarlo permitirá el paso de corriente mientras esté en ese estado.
Figura 3. Imagen de pulsador y símbolo de pulsador normalmente abierto.
Cantidad: 1 Pulsador normalmente abierto H. Diodo. Cantidad: 2 Diodos 1N4004 I. Transistor
El transistor es un dispositivo eléctrico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña.Consta de tres partes principales; el emisor, que proporciona portadores de carga; el colector que se encarga de recoger los portadores de carga y la base que controla el paso de corriente a través del transistor. Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador y se fabrica en versiones principalmente de silicio y germanio. El transistor de unión bipolar (o BJT, por sus siglas del inglés bipolar junction transistor) se compone principalmente de tres cristales semiconductores unidos entre sí; en los transistores NPN, el cristal positivo (base) se encuentra rodeado por dos cristales negativos y en los transistores PNP, el cristal negativo (base) se encuentra rodeado por dos cristales positivos. Un transistor puede tener tres posibles estados en un circuito:en activo, donde deja pasar más o menos corriente, en corte, donde no deja pasar corriente y en saturación donde de pasar toda la corriente.
Figura 3. Imagen de transistores NPN 2N3904, PNP 2N3906 y simbología. Cantidad: - 1 transistor NPN 2N3904
- 1 transistor PNP 2N3906
J. Cables para protoboard.
IV. PROCEDIMIENTO Aplicaciones de la carga y descarga de un condensador. Montaje 1: Se montará el circuito de la Figura (4), en donde el elemento señalado como Switch es un pulsador normalmente abierto.
Figura 4. Montaje 1
Después se accionará el pulsador observado y registrando el voltaje en el condensador, se esperará hasta que este se encuentre completamente cargado al haberse cargado el condensador se soltará el pulsador y se registrará nuevamente el voltaje sobre el condensador
Figura 5. Montaje 1- simulación pulsador accionado ●
Simulación Voltaje completamente cargado:10.4V
Figura 6. Montaje 1- simulación después de soltar el pulsador ●
Simulacion Voltaje sobre el condensador descargado :1.40 V
Montaje 2: Se implementará el circuito de la figura (7) con una señal cuadrada con valor mínimo de 0V, valor máximo 10V y una frecuencia de 100 Hz
se implementó una señal cuadrada de amplitud 5 y offset 5 para tales fines
. Figura 7. Montaje 2
Después se Midiera la tensión en el condensador con el osciloscopio y obtendrá la gráfica de carga y descarga. Se obtendrá matemáticamente la gráfica de la corriente que circula por el condensador para cada nivel de la señal cuadrada (V máximo y V mínimo )
Figura 7. Simulación gráfica de carga y descarga Montaje 2
Circuitos con condensadores Se implementó el circuito de la Figura (8) con una entrada acorde a la siguiente función: Vi(t) = 10sin(5000πt) Se energizara el circuito y utilizando el osciloscopio se observará el voltaje en el condensador y el voltaje en el generador simultáneamente (una señal en cada canal). utilizando la opción XY del osciloscopio se determinará la fase entre las señales (diagramas de Lissajous). Finalmente se bosqueja la forma del voltaje y la corriente
Figura 8. Montaje 3
Figura 9. Montaje 3- simulación señal en el osciloscopio
Figura 10. Montaje 3- diagramas de Lissajous
Rectificador de media onda Se montará el circuito de la figura (11) con una entrada de : Vi(t) = 10sin(1600πt)
Utilizando una resistencia adecuada para que la corriente del diodo 1N4004 sea aproximadamente la mitad de la corriente soportada, se energizara el circuito y con el osciloscopio se observara el voltaje del condensador y del generador en simultánea
Figura 11. Montaje 4
Figura 12. Montaje 4- osciloscopio señal después del diodo
Figura 13. Montaje 4- osciloscopio señal genereador de señales
Figura 14. Montaje 4- osciloscopio dos señales en simultanea
Funcionamiento del transistor ● Se montará el circuito de la figura (15) y se presionará el pulsador finalmente se medirá IB; IC; IE; VCE. Figura 15. Montaje 5
Figura 16. Montaje 5 - pulsador presionado y mediciones
●
Se montará el circuito de la figura (17) y se presionará el pulsador S1 finalmente se medirá IB; IC; IE; VCE.
Figura 17. Montaje 6
Figura 17. Montaje 6-pulsador presionado y mediciones
●
Se empleará el circuito de la figura (18) midiendo el voltaje de salida entre colector y tierra en las posiciones abierto y cerrado del switch
Figura 18. Montaje 7
V. REFERENCIAS ● ● ● ●
Hayt, William H,. Kemmerly, Jack E. y Durbin, Steven M., Análisis de circuitos en ingeniería, Mc Graw Hill, 7a edición. “Transistor” http://www.areatecnologia.com/TUTORIALES/EL%20TRANSISTOR.htm. Última actualización: 30-08-2016. Consulta: 05-03-2017 1:57pm. “Circuito CR” https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_RC. Última actualización: 06-12-2016. Consulta: 05-03-2017 3:19pm. “Condensador Electrolítico” https://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_electrol%C3%ADtico. Última actualización: 06-12-2016. Consulta: 19-08-2016 3:23pm. [1] Imagen tomada de: https://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_electrol%C3%ADtico #/media/File:Electrolytic_capacitors.jpg El 05-03-17 [2] Imagen tomada de: http://cdn-tienda.bricogeek.com/589-large_default/interruptor-on-offcuadrado.jpg El 05-03-17 [3] Imagen tomada de: http://cdn-tienda.bricogeek.com/919-thickbox_default/pulsador-switch -12mm.jpg El 05-03-17 [4] Imagen tomada de: https://ae01.alicdn.com/kf/HTB1n6zNHVXXXXaLXFXXq6xXFXXXQ/ 100pcs-font-b-2N3904-b-font-TO-92-font-b-NPN-b-font-General-Purpose-font.jpg El 05-03-17
