Octubre 14, 2009 Departamento de FísicaCódigo: Ciencias BásicasLaboratorio de Física Eléctrica Universidad del Norte-Colombia

CARGA Y DESCARGA DE UN CAPACITOR

DIANA CASTAÑO MARCO MAZO Email: dbustos@uninorte.edu.co email: mazom@uninorte.edu.co

Ingeniería Electrónica Ingeniería Eléctrica

ABSTRACT

With the completion of this new experience in the laboratory about the capacitors, we will determine the way a capacitor varies its potential difference when subjected to a process of loading and unloading in a series RC circuit. Similarly, observe the graph of the capacitor, in order to determine its behavior.

RESUMEN

Con la realización de esta nueva experiencia en el laboratorio sobre los condensadores determinaremos la forma como un capacitor varía su diferencia de potencial cuando está sometido a un proceso de carga y descarga en un circuito RC en serie. De igual forma, se observará la gráfica del capacitor, con el fin de conocer y determinar su comportamiento.

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

Muchos circuitos electrónicos contienen resistores y condensadores. Sin embargo, ignoramos la importancia que tienen dentro de un circuito, y sobre todo el objetivo que cumplen cuando estos se encuentran en serie. El simple acto de cargar o descargar un capacitor, puede establecer una situación en que las corrientes, voltajes y potencias sí cambian con el tiempo. Es por esto que los capacitores tienen muchas aplicaciones, ya que utilizan su capacidad de almacenar carga y energía. Por tal razón, entender lo que sucede cuando se cargan o se descargan es de gran importancia práctica.

Los capacitores tienen muchas aplicaciones en la que encontramos por ejemplo en los automóviles. Algunos vienen equipados con un elemento mediante el cual los limpiadores del parabrisas se utilizan de manera intermitente durante una llovizna ligera. En este modo de operación los limpiadores permanecen apagados durante un rato y luego se encienden brevemente. Otra aplicación es para hacer retardos. Estos circuitos protegen de picos altos de voltaje a los circuitos digitales electrónicos que trabajan con tensiones pequeñas. Y para

eliminar ruidos en las fuentes, eliminando el ruido que pudiera existir en el sistema, ya que el condensador no permite cambios bruscos de tensión.

Con el presente trabajo, queremos indagar un poco más sobre el comportamiento que tienen los circuitos RC, que sucede en el momento de cargar y descargar un capacitor. De igual forma, sobre todos los parámetros que interviene en este tipo de circuitos, como son la constante de tiempo, la carga del capacitor, el voltaje y la corriente.

2. MARCO TEÓRICO

Circuito RC: un circuito rc es un circuito del cual en su manera mas simple consta de una resistencia y un condensador de hay su nombre ( resistencia-condensador ). Este tipo de circuito es muy común en dispositivos electrónicos del dia a dia ya que estos funcionan gracias a la ayuda de una swictche el cual su labor es cerrar el circuito o abrirlo ya sea la necesidad. Una propiedad muy importante de estos circuitos es la constante de tiempo tau (τ) la cual nos determina la cantidad de tiempo la cual se puede calcular como el producto de la resistencia en el circuito y la capacitancia de capacitor en dicho circuito (RC) y esta nos determina el tiempo transcurrido para que el capacitor se carge en un 63.4% una vez que se conecta una fuente.

Fig1. Cicuito rc

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para la realización de este laboratorio se utilizó la herramienta Power Amplifier del interfaz ScienceWorkshop para suministrar una tensión al circuito resistencia-capacitor. Se utilizó el sensor de voltaje para medir la tensión a través del capacitor cuando se carga y descarga. Se empleó un swiche conmutable para seleccionar la acción de carga y descarga del capacitor. Como en los demás laboratorios, se utilizó el DataStudio para controlar la tensión de salida del interfaz y para registrar y mostrar la tensión a través del capacitor. Finalmente, se midió el tiempo para que el capacitor se cargue a la mitad del máximo voltaje. Utilizamos la constante tiempo medio y el valor conocido de la resistencia para calcular la capacidad del capacitor.

Se realizó el montaje que se muestra en la Figura 1.

Figura1. Circuito RC en la practica

Se colocó una resistencia de 3300-ohm () (marrón, negro, marrón) en un par de muelles de sujeción de componentes más próximos a los conectores tipo banana de la parte superior e inferior de la esquina derecha de la tarjeta AC/DC Electronics Lab.

Se conectó un capacitor de 330 microfaradios (µF) entre el muelle del extremo izquierdo de la resistencia de 3300 y el muelle más próximo a conector de la parte inferior.

Se conectó el circuito resistencia–capacitor de tal manera que cuando el swiche se coloque en la posición A, el capacitor se cargue a través de la resistencia y cuando esté en la posición B se descargue.

Se conectó el sensor de voltaje en paralelo con los terminales del capacitor.

Se conectó los cables desde la fuente de poder Power Amplifier a los terminales tipo banana de la tarjeta AC/DC Electronics Lab.

4. DATOS OBTENIDOS Y ANÁLISIS DE DATOS

En la experiencia se utilizó la herramienta de análisis de la ventana de gráficas para encontrar el tiempo, y así alcanzar el valor correspondiente a la mitad del máximo valor de voltaje alcanzado por el capacitor.

Figura 2. Mitad del máximo valor de voltaje alcanzado por el capacitor

De la gráfica podemos obtener los siguientes datos: Vmáx = 9.790V, t = 0.79seg y V (t) = 4.874V.

Pregunta 1: Con el dato obtenido en el paso anterior. ¿Cómo puede obtener la capacitancia experimental de capacitor empleado?

Para hallar la capacitancia experimental, hay que utilizar la siguiente ecuación, que relaciona la tension máxima, la capacitancia, el tiempo y la constante de tiempo en nuestro circuito( τ).

V (t) = Vmáx (1 - ), dónde τ = RC

V (t) = Vmáx (1 - )

→ 4.874 = 9.790 (1 - )

→ 0.497 = (1 - )

→ = 1 – 0.497

→ = 0.502

→ ln ( ) = ln (0.502)→ -0.79 / 3300C = -0.688→ C = 347.51 µF

La capacitancia experimental es de 347.51 µF y el valor del capacitor utilizado es de 300 µF. El porcentaje de error entre los dos valores es:

% Error porcentual = [(valor teórico – valor experimental) / valor teórico] x 100%% Error porcentual = [(330µF – 347.51µF) / 330µF] x 100% = 5.3%

Se seleccionó la zona de la gráfica que corresponde a la carga del capacitor. Empleando la herramienta “fit” se seleccionó el ajuste que arrojó menor error cuadrático medio (rms).

Figura 3. Gráfica del capacitor

Ahora ya que tenemos la capacitancia experimental que es de 347.51 µF y la tensión máxima alcanzada por el capacitor podemos calcular la carga máxima de este en ese momento de tiempo.

Por lo que la carga no es más que el producto de la tensión en el capacitor con la capacitancia de este y ya que la tensión es máxima y la capacitancia es constante entonces hallaremos la carga máxima que posee el capacitor

Q = CV

Donde C es 347.51 µF y V es el voltaje máximo alcanzado por el capacitor 9.790 V.

Proseguimos a realizar los cálculos

(347.51 µF)(9.790 V) = 3402.12 µC

5. PREGUNTAS PROBLEMATOLÓGICAS

1. ¿En qué forma varía la carga Q del capacitor a medida que este se carga?Gracias a la experiencia en el laboratorio, obtuvimos la gráfica en el cual se observa la carga y descarga del capacitor. De ahí, se concluye que la carga del capacitor aumenta exponencialmente; por lo que la carga varía a medida que el capacitor se está cargando.

Figura 4. Gráfica del capacitor (verde) y resistor (roja)

2. Cuando el capacitor se descarga a través de la resistencia ¿Qué sucede con la energía que se había “acumulado” en las placas del capacitor?

Cuando el condensador se carga la corriente deja de fluir en el circuito, por lo que hay que abrir el interruptor para que el condensador libere la energía eléctrica almacenada. Ahora, al momento de descargar el condensador la circulación de la corriente es contraria a la del proceso de carga, lo que significa que la energía eléctrica almacenada en el capacitor se disipa por la resistencia.

3. ¿Se cumple la ley de Kirchhoff para los voltajes en el circuito RC del montaje?

La ley de Kirchhoff se cumple para los voltajes en el circuito RC del montaje en el momento que el swiche es cerrado, ya que la ley de voltaje de Kirchhoff enuncia que la suma algebraica de todos los voltajes alrededor de cualquier trayectoria cerrada en un circuito es igual a 0, y para ello el recorrido seleccionada para aplicar la Ley debe estar en una malla cerrada.

6. Conclusion.

Como parte esencial del laboratorio el conocimiento y las propiedades de los circuitos rc es muy importante para la aplicación de circuitos en sistemas reales. hemos visto que el circuito rc como una parte esencial de la electrónica moderna y también como sus propiedades son tan particulares este es muy útil en distintos dispositivos electrónicos de hoy en dia, nos dimos cuenta que no todos los circuitos rc son iguales y que cada circuito posee una propiedad especifica de este como es el tau o la constante de tiempo de dicho circuito y q gracias a la determinación de dicha constate contamos hoy en dia con dispositivos que reaccionan más rápido ( bombillas, abanicos etc.) hablando claro está en términos de reacción de este con un interruptor que completa el circuito que hace que los elementos funcionen.

7. BIBLIOGRAFÍA

I1I. Dario Castro Castro y Antalcides Olivero Burgos, Física Electricidad para estudiantes de ingeniería, notas de clase,Ed Uninorte.