circuitos eléctricos rl rc y rlc -...

7

Click here to load reader

Upload: doanhanh

Post on 05-Feb-2018

214 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Circuitos Eléctricos RL RC y RLC - fisica1000017electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/Comportamiento+R… · Resumen. En esta práctica podremos analizar básicamente los

Resumen. En esta práctica podremos analizar básicamente los circuitos RLC donde se acoplan resistencias, capacitores e inductores, y algunas de las principales características de estos.

Abstract In this practice we basically analyze RLC circuits which are coupled resistors, capacitors and inductors, and some of the main features of these.

Objetivos:

Comprender, conocer y

analizar las similitudes y

diferencias de los circuitos

RL, RC, y RLC.

Analizare intentar

comprender el

comportamiento que tienen

estos elementos en la

elaboración de circuitos

electrónicos y su posible

utilización.

Podremos analizar en este

laboratorio:

La influencia que tienen los

condensadores, las resistencias y

las bobinas en el desarrollo de los

circuitos eléctricos.

Circuitos RL

Figura 1. Circuito RL es serie. El generador de

señales suministra el voltaje V en

forma de una onda cuadrada.

Consideremos el circuito de la

figura 1, en el cual una bobina de

inductancia L está conectada en

serie con una resistencia R y con

un generador de señales.

Suponiendo que la corriente I

circule como se muestra en la

figura, según la ley de Kirchhoff

para voltajes se tiene que

(1) V = VR + VL

O bien

(2) VL + VR - V = 0

Andrés Felipe Duque

223090

Grupo:10

Circuitos Eléctricos RL RC y

RLC

Page 2: Circuitos Eléctricos RL RC y RLC - fisica1000017electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/Comportamiento+R… · Resumen. En esta práctica podremos analizar básicamente los

Donde

(3) VL = L dI / dt

(4) VR = I.R

Con (3) y (4), la ecuación (2) se

puede escribir como

(5) L dI /dt + IR - V = 0

Esta ecuación diferencial tiene

como solución

(6) I (t) = A e-tR/L + V / R

A: es una constante y a la relación

L/R se llama tiempo de vida media.

En el momento de prender el

circuito (t = 0) no circula corriente

todavía (I = 0) y en tales

condiciones la ecuación (6) se

reduce a:

(7) 0 = A + V/R

Esto permite calcular la constante

A:

(8) A = - V/R

con la cual la ecuación se escribe

ahora de la siguiente manera:

(9) I (t) = (V/R)[ 1 - e-tR/L ]

Teniendo en cuenta que VR = IR, la

ecuación anterior se transforma en

(10) VR = V ( 1 - e-tR/L )

Utilizando las ecuaciones (3) y (9)

se puede obtener fácilmente el

valor del voltaje

VL en la bobina:

(11) VL = V e-tR/L

La ecuación (11) describe el

comportamiento del voltaje VL en la

bobina.

Una representación gráfica de las

ecuaciones (10) y (11) se puede

observar en la figura 2.

Figura 2. Representación gráfica de las ecuaciones (11) y (12).

Para un circuito RC

Figura 3. Circuito RC en serie, alimentado por

un generador de señales.

El circuito de la figura 3 muestra un

condensador y una resistencia

óhmica conectados en serie con un

generador de señales. Suponiendo

que la corriente I circula en la

dirección indicada, la aplicación de

Page 3: Circuitos Eléctricos RL RC y RLC - fisica1000017electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/Comportamiento+R… · Resumen. En esta práctica podremos analizar básicamente los

la segunda ley de Kirchhoff

establece que

(12) V = IR + Q/C

Ecuación en la cual I = dQ/dt

La solución de esta ecuación

diferencial es

(13) Q(t) = C.V ( 1 - e-t/RC )

Que describe el comportamiento de

la carga del condensador en el

tiempo.

Puesto que la corriente en el

circuito es I = dQ/dt , es fácil

obtener a partir de la ecuación (13)

el comportamiento de I en función

del tiempo:

(14) I = ( V/ R) e-t/RC

Teniendo en cuenta que VR = I.R y

VC = Q/ C, se puede calcular la

caída de potencial en la resistencia

R y en el condensador C utilizando

las ecuaciones (13) y (14).

(15) VR = V.e-t/RC

(16) VC = V ( 1 - e-t/RC )

La ecuación (15) y (16) describen

el comportamiento del voltaje en la

resistencia R y en el condensador

C como una función del tiempo.

Estos comportamientos están

representados gráficamente en la

figura 4.

Figura 4. Representación gráfica de las

ecuaciones (15) y (16).

Circuitos RLC

Figura 5. Circuito RLC en serie, alimentado por

un generador de señales.

En los circuitos RLC se acoplan

resistencias, capacitores e

inductores. Existe también un

ángulo de desfasaje entre las

tensiones y corrientes (y entre las

potencias), que incluso puede

llegar a hacerse cero. En caso de

que las reactancias capacitivas e

inductivas sean de distinto valor

para determinada frecuencia,

tendremos desfasajes.

Dependiendo de cuál de las

Page 4: Circuitos Eléctricos RL RC y RLC - fisica1000017electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/Comportamiento+R… · Resumen. En esta práctica podremos analizar básicamente los

reactancias sea mayor podremos

afirmar si se trata de un circuito con

características capacitivas o

inductivas y por lo tanto si la

tensión adelanta a la corriente (y

con qué ángulo) o si la corriente

adelanta a la tensión. Pero para

poder comprender adecuadamente

este tipo de circuitos es de vital

importancia comprender primero

algunos aspectos y nociones

básicas de los circuitos RL.

OSCILACIONES EN UN

CIRCUITO LC

Figura 6. Circuito LC en serie, circuito oscilante.

Cuando un condensador se

conecta a un inductor, luego de

haberse cargado con una fuente de

tensión, tanto la corriente como la

carga del condensador oscila.

Cuando existe una resistencia, hay

una disipación de energía en el

sistema porque una cuanta se

convierte en calor en la resistencia,

por lo tanto las oscilaciones son

amortiguadas. Por el momento, se

ignorará la resistencia.

En un tiempo igual a cero, la carga

en el condensador es máxima y la

energía almacenada en el campo

eléctrico entre las placas es U =

Q2máx/(2C). Después de un

tiempo igual a cero, la corriente en

el circuito comienza a aumentar y

parte de la energía en el

condensador se transfiere al

inductor. Cuando la carga

almacenada en el condensador es

cero, la corriente es máxima y toda

la energía está almacenada en el

campo eléctrico del inductor. Este

proceso se repite de forma inversa

y así comienza a oscilar.

En un tiempo determinado, la

energía total del sistema es igual a

la suma de las dos energías

(inductor y condensador): U = Uc +

UL. Quedando:

(17) U = [ Q2/(2C) ] + ( LI2/2 )

CIRCUITO RLC

Un circuito RLC es aquel que tiene

como componentes una

resistencia, un condensador y un

inductor conectados en serie En un

tiempo igual a cero, el condensador

tiene una carga máxima (Qmáx).

Después de un tiempo igual a cero,

la energía total del sistema está

dada por la ecuación presentada

en la sección de oscilaciones en

circuitos LC

(17) U = [ Q2/(2C) ] + ( LI2/2 )

Page 5: Circuitos Eléctricos RL RC y RLC - fisica1000017electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/Comportamiento+R… · Resumen. En esta práctica podremos analizar básicamente los

En las oscilaciones en circuitos LC

se había mencionado que las

oscilaciones no eran amortiguadas

puesto que la energía total se

mantenía constante. En circuitos

RLC, ya que hay una resistencia,

hay oscilaciones amortiguadas

porque hay una parte de la energía

que se transforma en calor en la

resistencia.

El cambio de la energía total del

sistema dependiendo del tiempo

está dado por la disipación de

energía en una resistencia:

(18) dU/dt = − I2R

Luego se deriva la ecuación de la

energía total respecto al tiempo y

se remplaza la dada: LQ´ + RQ´ +

(Q/C) = 0

Se puede observar que el circuito

RCL tiene un comportamiento

oscilatorio amortiguado:

(19) m(d2x/dt2) + b(dx/dt) + kx = 0

Si se tomara una resistencia

pequeña, la ecuación cambiaría a :

(20) Q = Qmáx e −(Rt/2L)Cos wt

(21) w = [ (1/LC) − (R/2L)2 ] 1/2

Entre más alto el valor de la

resistencia, la oscilación tendrá

amortiguamiento más veloz puesto

que absorbería más energía del

sistema. Si R es igual a (4L/C) ½ el

sistema se encuentra

sobreamortiguado(Figura 8.), es

decir que la tensión de

amortiguamiento es mayor que la

producida por la elasticidad que en

este caso es la producida por la

unión LC. Para el circuito

críticamente amortiguado(Figura 9.)

se presenta que la tensión de

amortiguamiento es igual a la

producida por la elasticidad y

finalmente el subamortiguado la

tensión de amortiguamiento es

menor a la producida por la

elasticidad u oscilación, este se

puede asemejar fácilmente a un

comportamiento mecánico muy

tradicional, un resorte es un

ejemplo de este tipo de oscilación,

al aplicarle una fuerza externa y

luego liberarlo la grafica

representativa de su movimiento

será igual a la de la Figura 7.

Figura 7. Grafica representativa de un circuito

RLC subamoriguado.

Figura 8. Grafica representativa de un circuito

RLC sobreamortiguado.

Page 6: Circuitos Eléctricos RL RC y RLC - fisica1000017electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/Comportamiento+R… · Resumen. En esta práctica podremos analizar básicamente los

Figura 9. Grafica representativa de un circuito

RLC críticamente amortiguado

Conclusiones

Cuando tenemos un circuito

RC en serie, el condensador

toma toda la energía de la

fuente y la almacena entre

sus placas en forma de un

campo eléctrico, el proceso

de carga de este sucede en

forma exponencial y al

momento de estar 100%

cargado, este desaparece

virtualmente del circuito,

comportándose como un

circuito abierto, en el

momento en que este

elemento entrega su energía

almacenada al circuito, su

descarga también sucede en

forma exponencial hasta que

este entrega toda su

energía. Se calcula que

tanto el proceso de carga

como de descarga está

completo casi en su totalidad

al transcurrir entre unas 5T a

6T.

Cuando tenemos un circuito

RL en serie, sucede algo

similar que con el

condensador, el inductor de

igual manera almacena la

energía de la fuente, pero

este desaparece

virtualmente comportándose

como un corto circuito y

almacena la energía en

forma de campo magnético,

de igual forma su carga y

descarga sucede de forma

exponencial y también se

calcula que estos 2 procesos

están en casi su totalidad al

transcurrir entre 5T y 6T con

T igual a taos.

En un circuito RLC se

pueden dar 3 casos de

amortiguamiento que son:

subamortiguado,

sobreamortiguado y

críticamente amortiguado,

dependiendo de la relación

entre los componentes del

circuito.

El comportamiento de un

circuito RLC subamortiguado

se asemeja al

comportamiento mecánico

de un resorte, al liberarlo

después de aplicarle una

fuerza externa.

Referencias bibliográficas.

[1] Sears, Francis W; Zemansky, Mark W;

Young, Hugh D; Freedman, Roger A; Física

Universitaria; “Movimiento en línea recta” y

Page 7: Circuitos Eléctricos RL RC y RLC - fisica1000017electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/Comportamiento+R… · Resumen. En esta práctica podremos analizar básicamente los

“Movimiento en dos y tres dimensiones”;

undécima edición; volumen 2; Pearson

Educación, México, 2004.

[2] Serway, Raymond A; Beichner, Robert J;

Física Para Ciencias e Ingeniería;

“Movimiento en una dimensión” y

“Movimiento en dos dimensiones”; quinta

edición; tomo 2; McGraw-Hill, México, 2004.