Abril 19 2010 ________________________________

Código: 1695 Departamento de Física

Física Eléctrica Ciencias Básicas

Universidad Del Norte-Colombia

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Carga y Descarga de un capacitor

Carlos Quiroz Eynmar Lopéz

cequiroz@uninorte.edu.co Eynmarl@uninorte.edu.co

Ingeniería Electrónica Ingeniería Electrónica

Abstract

In the present Inform it is pretended to analyze what occurs to a capacitor when it is in a

charge process, and what happen when this one its discharging. it will be analyze in the

same way its behavior when a current circulate through this. It will be take some graphs

which are going to be analyzed highlighting the maximum point (arbitrary) where the

voltage was superior and what this takes (in the discharging process) in reach the half of its

maximum voltage.

Resumen

En el presente trabajo se pretende analizar que le ocurre a un capacitor cuando se encuentra

en un proceso de carga, y que ocurre cuando este se va descargando; se analizara de igual

forma su comportamiento cuando una corriente circula atreves de este. Se tomaran unas

gráficas las cuales serán analizadas resaltando el punto máximo (Arbitrario) donde su

voltaje fue superior y en lo que este mismo tarda (En el proceso de descarga) en llegar a la

mitad de su voltaje máximo.

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Experimento No .8. Carga y descarga de un capacitor

1. Tema : Circuitos de corriente continua.

2. Objetivos:

2.1 General:

Determinar la forma como varia el diferencial de tensión en los bornes de un

capacitor cuando se somete a un proceso de carga y descarga en un circuito RC

serie.

2.2. Específicos:

Determinar el voltaje en un capacitor que se carga y se descarga en un circuito RC

serie

Calcular el tiempo que tarda el capacitor en alcanzar la mitad del voltaje máximo.

Calcular la capacitancia del capacitor basado en el tiempo de vida media.

Determinar la constante de tiempo capacitiva ( )

Comparar la capacitancia medida del capacitor con el valor establecido

3. Actividades de Fundamentación teórica

Antes de llegar al laboratorio debes indagar acerca de los siguientes aspectos:

Proceso de carga y descarga de un capacitor en un circuito RC.

Ecuación del voltaje para un proceso de carga y descarga de un capacitor en un

circuito RC serie

Constante de tiempo capacitiva ( )

Tiempo de vida media.

4. Procedimiento.

Utilice la herramienta Power Amplifier del interfaz ScienceWorkshop para suministrar una

tensión al circuito resistencia-capacitor. Utilice el sensor de voltaje para medir la tensión a

través del capacitor cuando se carga y descarga. Se empleará un suiche conmutable para

seleccionar la acción de carga y descarga del capacitor.

Utilice DataStudio para controlar la tensión de salida del interfaz y para registrar y mostrar

la tensión a través del capacitor. Finalmente, mida el tiempo para que el capacitor se cargue

a la mitad del máximo voltaje. Utilice la constante tiempo medio y el valor conocido de la

resistencia para calcular la capacidad del capacitor. Compare el valor calculado con el valor

nominal del capacitor.

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4.1. Configuración del ordenador

1. Conecte el interfaz ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego

encienda el ordenador.

2. Conecte un sensor de voltaje al Canal analógico B

3. Conecte los cables a los terminales de “Salida” del interfaz

4. Abra el archivo titulado: DataStudio

• El archivo DataStudio debe contener una gráfica de la tensión frente al tiempo y la

ventana del generador de señales para controlar la " salida" de la fuente.

• El generador de señales se configura para una salida de voltaje DC con una

magnitud de 5.0 voltios

4.2. Calibración del sensor y montaje del equipo.

Realice el montaje tal como se indica en la Figura 8.1

Figura 8.1

• No es necesita calibrar el Sensor de voltaje.

1. Coloque 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.

2. Conecte un capacitor de 330 microfaradios (µF) entre el muelles del extremo

izquierdo de la resistencia de 3300 y el muelle más próximo a conector de la parte

inferior.

3. Conecte el circuito resistencia – capacitor de tal manera que cuando el suiche se

coloque en la posición A el capacitor se cargue a través de la resistencia y cuando

esté en la posición B se descargue.

4. Conecte el sensor de voltaje en paralelo con los terminales del capacitor.

5. Conecte los cables desde la fuente de poder Power Amplifier a los terminales tipo

banana del la tarjeta AC/DC Electronics Lab.

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4.3. Toma de datos

1. Antes de iniciar la toma de datos cerciórese que el capacitor este descargado, luego

coloque el suiche en la posición A.

2. Comience la toma de datos. ( Pulse „Start‟ en DataStudio ) El generador de señales

dará una salida automáticamente cuando inicie el registro de datos.

3. Observe la gráfica de la tensión frente al tiempo.

4. La toma de datos debe durar el tiempo que necesite el capacitor para alcanzar su

máxima carga, sin parar la toma de datos coloque el suiche en la posición B, espere

que se descargue totalmente y detenga la medición.

5. En datos aparecerá „run #1‟.

5. Análisis de los datos

1. Ajuste el tamaño de la gráfica si es necesario.

2. Amplíe la zona de la gráfica. Utilice la herramienta „Scale to Fit‟ en DataStudio : la

gráfica seleccionada se amplia para ajustarse a la ventana gráfica.

3. Utilice la herramientas de análisis de la ventana de gráficas para encontrar el tiempo

para alcanzar el valor correspondiente a la mitad del máximo valor de voltaje

alcanzado por el capacitor

En DataStudio, pulse „Smart Tool‟. Mueva el cursor al punto de la gráfica donde se

inicie el aumento de tensión. Arrastre el „Smart Tool‟ al punto donde la tensión sea

unos 2.5 voltios. El tiempo para alcanzar " la mitad del máximo" es la „ coordenada x

4. Determine la capacitancia experimental y compárelo con el valor nominal indicado.

Halle el error.

5. Seleccione la zona de la gráfica que corresponda a la carga del capacitor (suiche en la

posición A), Empleando la herramienta “fit” seleccione aquel ajuste que arroje menor

error cuadrático medio( rms). Escriba esta ecuación en el informe y compárela con la

ecuación que investigó en la sección ”actividades de fundamentación teórica”.

6. Utilizando este método, determine la capacitancia experimental y compárelo con el

valor indicado. Halle el error.

7. Utilice la herramienta “Smart Tool” para determinar el tiempo que tarda el capacitor

en descargarse el 50% de su voltaje máximo.

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Pregunta 1: Con el dato obtenido en el paso anterior. ¿Cómo puede obtener la capacitancia

experimental de capacitor empleado?

R. / Teóricamente tenemos una capacitancia de 330mF y una resistencia de 3300 Ω con un

voltaje de 10V

Experimental mente tenemos entonces T(tau) es igual a resistencia por la capacitancia

Por el método anterior tenemos que T=1,084 seg

Entonces:

El error cuadrático vendría dado por

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Pregunta 2: Con los datos obtenidos en el paso anterior. ¿Cómo puede determinar

mediante este método la capacitancia experimental?

R./ utilizando el ajuste exponencial inverso en data studio para encontrar los datos

experimentales que nos da la grafica, y despejándolo con la formula de capacitancia

Teóricamente tenemos una capacitancia de 330mF y una resitencia de 3300 Ω con un

voltaje de 10V. Entonces T(tau):

Experimentalmente tenemos la formula dada por datastudio por el ajuste exponecial

inverso

Donde

A=9,905

B=0,110

C=0,922

Con los anteriores datos podemos decir que

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El error vendría dado según este método por

Pregunta 3: ¿Cuánto fue la carga máxima obtenida por el capacitor en el proceso de carga?

Pregunta 4: ¿Qué cantidad representa el tiempo obtenido en el paso anterior?

R. / la cantidad que representa el tiempo en el paso anterior es la vida media del capacitor o

en otras palabras el tiempo en el que demora en cargarse el capacitor, también representa el

rango de tiempo en que la corriente tarda en disminuir su valor inicial.

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Análisis de Grafica:

------------------- (Resistor)

------------------- (Capacitor)

En la siguiente Gráfica se puede observar de manera clara como el capacitor se carga de

manera progresiva con el tiempo (rojo) en cambio para la resistencia, se observa el poco

voltaje que circula a través de este, es decir, no llega tanto voltaje una vez el capacitor se

haya cargado con + o – 10V, alcanzado el limite (que era el que data estudio proporcionaba

al circuito), la resistencia mide un total de 0.01 voltios (no es 100% 0 puesto que tiende a 0,

al igual que la carga del capacitor tiende a 10); una vez aislado el capacitor de su fuente de

energía (es decir cambiado del canal A al B, es decir, pasamos de un circuito alimentando

directamente al capacitor, a un circuito con una fuente y un capacitor el cual entra en

proceso de descarga) se puede notar como este mismo va perdiendo su carga y como por el

resistor circula nuevamente un total de + o – 10V. ¿Por qué se ve en la gráfica que va de – a

+? Sencillo, como el capacitor actúa en ambos sentidos, es decir circula corriente tanto por

la derecha como a la izquierda de este.

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Como dato adicional se probo esto en un circuito y se mostro que (por medio de un bombillo) este encendía verde cuando la corriente iba positiva, y rojo cuando iba negativa.

De la grafica se nos pide hallar cuanto se demora el capacitor en llegara la mitad de su

carga total. Según la Grafica, el tiempo que le toma para cargarse al máximo fue de 3.08s

con un V de 9.905, ahora bien, para llegar a la mitad de este, increíblemente pierde 4.995V

en cuestión de 0.26s!!!

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3.2. Responda las preguntas problematológicas.

1. ¿En qué forma varía la carga Q del capacitor a medida que este se carga?

Mientras el capacitor se vaya cargando ya sea de a poco o viceversa, la carga de este

también va aumentando hasta llegar a la máxima de la carga permitida para le capacitor,

una vez alcanzado el limite, el capacitor NO permite que la corriente siga circulando.

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?

Una vez el capacitor comienza su proceso de descarga que viene dado por la formula

Vc=- є , La energía almacenada hasta el momento donde comienza su

descarga, transcurre por el circuito y viaja por las resistencias mientras se disipa la carga

del capacitor, hasta un punto en el cual se descargue completamente, es decir, que su carga

sea igual a cero.

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

¿Que dice la ley de Kirchhoff?

Ley de Kirchhoff “La suma algebraica de todos los voltajes alrededor de cualquier

trayectoria cerrada en un circuito es igual a 0”. Entonces como se cumplen en circuitos

cerrados, en la experiencia, se trabajo con circuitos Cerrados y por ende la ley de Kirchhoff

se cumple para los circuitos de RC; a pesar de estar conectados a un canal que Cambiaba

del A al B, en ambos casos, el circuito permanecía cerrado y por lo tanto se podían hallar

las diferencias de potencial en el circuito.