laboratorio n°9 fisica III

TRANSFORMADORES – RELES TRANSFORMADORES – RELES E INTERRUPTORES MAGNÉTICOS Experiencia N° 9 I. TRANSFORMADORES Es una de las más importantes aplicaciones técnicas de la inducción Se puede encontrar en todos los tamaños, como transformador de alta tensión, en la transmisión de energía, o como transformador de baja tensión, prácticamente, en todos los aparatos que se alimentan con la tensión de la red. Los transformadores solo se pueden operar básicamente con corriente alterna. Entre las funciones que c umplen se encuentran:

Transmisión de Energía Un transformador puede transformar energía con pocas perdidas, de un nivel de tensión al otro.

Adaptación de Tensión Un transformador convierte tensiones, es decir, transforma tensiones en otras mayores o menores

Principio del Transformador Por lo general, los transformadores constan de devanados acoplados magnéticamente. Se diferencia entre el

devanado primario, es decir, el que consume potencia eléctrica, y el devanado secundario, es decir, el que entrega potencia eléctrica. Igualmente de modo análogo se habla de:



Tensión primaria U1 y secundaria U2



Corriente primaria i1 y secundaria i 2



Numero de espiras del devanado primario n 1 y del secundario n 2

Los transformadores tienen diversas formas. En los pequeños transformadores monofásicos, como el que se muestra por ejemplo, ambos devanados se encuentran arrollados en un solo lado del núcleo de hierro. Con esto se logra que el flujo magnético generado por una bobina se transmita casi por completo a la otra bobina. Las líneas de campo se encuentran prácticamente dentro del núcleo, la dispersión es mínima y el circuito magnético se cierra a través de los otros lados exteriores. Si por el devanado primario circula una corriente, debido a la variación del flujo magnético en el tiempo, en el devanado secundario se inducirá una tensión. La relación entre las dos tensiones corresponderá a la existente entre

Transformadores y Relees Magnéticos el número de espiras de los devanados. Las corrientes, al contrario, tienen una relación inversamente proporcional a la de los devanados  

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Comportamiento El transformador no se puede considerar en ningún modo como un componente ideal, carente de dispersión y pérdidas. En la práctica se determinan pérdidas que se manifiestan en el calentamiento del transformador. Las causas de esto son: 

Perdidas en los devanados debidas a las resistencia del alambre de cobre



Perdidas en el hierro debidas a corrientes parasitas y perdidas por histéresis, causadas por la inversión magnética del hierro

Para reducir estas pérdidas, el núcleo el transformador se construye de capas de chapas individuales, aisladas entre sí. Esto evita considerablemente la formación de corrientes parasitas. La chapa del transformador se construye de material magnético suave, con la curva de histéresis angosta Las perdidas resistivas son la causa especial de que la tensión secundaria del transformador con carga no permanezca constante, sino que desciende. Este fenómeno se aprecia más en los transformadores pequeños, que poseen devanados de alambre de cobre delgado.

1.-Transformador sin núcleo y con núcleo Se estudiara la transmisión de energía en un transformador con o sin núcleo de hierro y se conocerá el efecto importante que tiene dicho componente. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual generador de funciones. Realice los siguientes ajustes: Forma de la curva

: SINUS

Frecuencia

: 500Hz

Amplitud

: 1:1 y 100%

Active el botón POWER y observe la luminosidad de la lámpara. Apague de nuevo el botón POWER del generador de funciones. Pulse a continuación STEP2, en la animación y complemente el transformador, como se indica, con el número de hierro Conecte de nuevo el generador de funciones y observe la luminosidad de la lámpara.

¿Cómo se compara la lámpara en el devanado secundario de un transformador con o sin núcleo? Con el núcleo, la lámpara se enciende

¿En el transformador, que influencia ejerce un núcleo de hierro sobre la transmisión de energía? UNMSM - Universidad Nacional Mayor de San Marcos “Decana de América”

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Transformadores y Relees Magnéticos El núcleo de hierro procura un buen acoplamiento magnético entre el devanado primario y secundario. La mayor parte de las líneas de campo magnético pasan por el interior del núcleo de hierro. Gracias al núcleo de hierro el flujo magnético generado por el devanado primario se conduce a través del secundario.

2.- Relación de transformación Se aplicara una tensión alterna al transformador, se medirá con el voltímetro la amplitud de las tensiones primarias y secundarias y se calculara la elación de transformación. Monte el siguiente arreglo experimental: Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Rango: 5 V, DC Display digital Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz) Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Rango: 2 V, DC Display digital Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz) Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Forma de la curva SINUS Frecuencia 50Hz Amplitud 1:1 y 25% Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER. Lea ambos instrumentos y transfiera los valores: Voltímetro A: tensión primaria UPRIM = 1,6v =

Voltímetro B: tensión secundaria USEC 0,78v Varíe el número de espiras del transformador n1 = 400, n2 = 200. La animación STEP2 muestra la m anera de hacerlo Lea ambos instrumentos y transfiera los valores: Voltímetro A: tensión primaría UPRIM = 1,6V Voltímetro B tensión secundaria USEC =0,8V

Calcule: Tensión primaria, tensión secundaria: UPRIM / USEC =2 Espiras de primario espiras del secundario n1/ n2 =2

¿Cuál de las afirmaciones de relación de transformación del transformador es correcta, explique cada una de ellas? El número de espiras correspondientes

¿Por qué razón ¡a tensión de salida es menor que lo esperado de acuerdo con la relación entre el número de espiras de los devanados? Explique porque Porque el flujo magnético de dispersión hace que disminuya el flujo magnético del devanado secundario porque el núcleo desarmable tiene entre hierro muy grande y esto hace que se presente flujo de dispersión

UNMSM - Universidad Nacional Mayor de San Marcos “Decana de América”

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Transformadores y Relees Magnéticos

3.-Transformador con carga Se aplicará una carga a un transformador y se medirá la tensión del secundario mientras se aumenta la carga. Los valores medidos se anotarán en una tabla y se representaran gráficamente Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Rango. 5 V, DC Display digital Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz) Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Rango: 2 V, DC Display digital Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz) Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Forma de la curva SINUS Frecuencia 50Hz Amplitud 1:1 y 40% Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER. Cargue el transformador con los valores de resistencias indicados en la tabla. En la animación sólo se muestra el primer caso, esto es, una carga de 100 Ω Los otros casos se obtienen conectando en serie y en paralelo las dos resistencias de 100 Ω . El valor 9999 representa el caso a circuito abierto, es decir, sin carga El valor de 10 Ω se

obtiene aproximadamente con la lámpara. Lea los valores medidos en el voltímetro B y anótelos en la tabla.

Compare los valores medidos representados en su diagrama con la siguiente selección. Grafique U vs R, Intérprete.

¿Cuál afirmación sobre un transformador es correcta? A) La tensión de salida disminuye cuando la carga resistiva aumenta. B) La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye. C) La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.

Cuestionario sobre el transformador: 1-¿En qué se distinguen el devanado primario y el secundario del transformador? Responda El devanado primario consume potencia

2-¿Cómo se comportan la tensión y la corriente en un transformador por cuyo devanado primario circula corriente alterna? Responda. Las tensiones primaria y secundaria se comportan: de igual manera que el correspondiente número de espiras de los devanados.


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3-Los transformadores no son componentes ideales en la práctica mencione los problemas que presentan Calentamiento debido a las pérdidas. Perdidas de hierro del núcleo debido a corrientes parasitas. Perdidas en los devanados debido a la resistencia del alambre de cobre. Mal acoplamiento entre los devanados debido a la dispersión.

4-En un transformador con carga resistiva, ¿Qué ocurre con la tensión? La tensión del secundario disminuye.

II. RELEES MAGNETICOS 1. Fundamento teórico: En 1837, cuando Samuel Morse pudo hacer funcionar su telégrafo de registro de señales, desarrollado con el electroimán creado por J. Henry en 1824, fue el momento en el que nació el relee. Su nombre se deriva del francés y al comienzo se utilizó en las comunicaciones para la retransmisión de mensajes, de modo similar a las estaciones de relevos (celais) propias de la época en que el correo era transportado por diligencias tiradas por caballos. En la era de los bits y los Bytes se podría pensar que los relees electromecánicos estarían pasados de moda. Pero en realidad, hoy en día se fabrican más relees que nunca antes. El relee es, en principio, un conmutador que, con una corriente eléctrica de muy baja potencia, acciona contactos conmutadores que pueden conectar potencias mayores. Los relees existen en muchas formas: 

Estable o monoestable (regresan a la posición inicial).



Biestables conocidos también como conmutador de control remoto con diferentes c antidades de contactos de conmutación.



Relees temporizadores (excitación o des excitación con re tardo) para diferentes tensiones de mando, para diferentes corrientes de co nmutación.

Sobre un aislante (verde) y un núcleo de hierro se encuentra arrollada una bobina. Si al conectar el relee, la corriente circula por la bobina, se genera un flujo magnético, cuyas líneas transcurren básicamente a través del núcleo de hierro. El circuito magnético se cierra a través del hierro exterior y la armadura que se puede ver arriba. El campo magnético produce una fuerza de atracción sobre una armadura. En la armadura se encuentran los contactos de conmutación fijados con aislante. La armadura es móvil y la fuerza de atracción magnética la desplaza hacia la bobina con núcleo de hierro. Los contactos se accionan debido al movimiento de la armadura, el circuito eléctrico principal se cierra y la lámpara se enciende. De la misma manera se puede construir un interruptor o un conmutador. Al suspenderse la corriente de excitación, en los relees monoestables, la fuerza de un resorte procura que el contacto retorne a su posición inicial.


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2. Conectar al Relee Se aplicará una tensión al devanado de excitación del relé. Con el contacto de conmutación se encenderá una lámpara en el circuito eléctrico principal. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra y cierre varias veces la última conexión y observe lo que sucede (también dentro del relé).

¿Qué sucede después de que el relé se conecta a la tensión de alimentación? El rele emite un sonido de click. La lámpara se enciende. El inducido con los contactos se mueve.

Diodo de vía libre El devanado de excitación de un relee presenta una inductancia. Tras la carga eléctrica almacenada en la inductancia causa una punta de tensión negativa. El diodo de la vía libre permite que, tras la desconexión de la batería, la corriente siga circulando brevemente disipando la energía electromagnética acumulada, sin que se presenten las puntas de tensión. Observe el circuito de conmutación y la forma de tensión al conectar y desconectar. Pulsando el botón verde, el circuito se complementara con un diodo de vía libre.

3. Punta de Inducción Se conectará y desconectará el relé y se observará lo que sucede al desconectarlo. A continuación se repetirá el experimento con el diodo de vía libre y se advertirá la diferencia. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra y cierre varias veces la conexión con la alimentación de tensión de 5V y observe el comportamiento de la lámpara fluorescente. Nota: La lámpara se utilizará solamente como indicador de "alta tensión". La lámpara se enciende sólo a aprox. 110 V, por debajo de esta tensión permanece oscura.

¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado excitador del relé? Se ilumina al momento de desconectar la tensión.

¿Cuál es la razón para que la lámpara conectada en paralelo al devanado de excitación del relé se ilumine brevemente? Autoinducción al desconectar la corriente Disipación de la energía electromagnética almacenada La tensión es mayor a 110 V por un breve instante Incluya el diodo de vía libre y repita e l experimento. La animación muestra la manera en que se debe conectar el diodo por medio de un puente; pulse sobre e l botón con el diodo para observarlo.


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¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado de excitación del relé con diodo de vía libre? No se enciende nunca.

¿Cuál es la razón de la ausencia de una punta de inducción al desconectar un relé con diodo de vía libre? La corriente puede continuar circulando brevemente en el devanado de excitación Disipación de la energía electromagnética almacenada en el circuito del diodo de vía libre FUNDAMENTO

Los interruptores de láminas constan de dos contactos de muelle, muy cercanos, colocados dentro de un cuerpo de vidrio. Si el tubito de vidrio se encuentran cerca de un campo magnético los contactos adoptas polaridades distintas y se sierran abruptamente. De este modo se establece la conexión eléctrica entre ambos contactos. Los interruptores de láminas se comparten de diferente manera, según sea el modo en que se acercan el imán al tubo

Arriba: Se encuentran presente dos campos para dos puntos de concentración. En la mitad del tubo de los contactos permanecen abiertos. Abajo: El campo se encuentra en la mitad del tubo. El interruptor de láminas solo tiene un punto de conmutación.

4.- Experimento de Interruptor de Láminas Se observa el funcionamiento de un interruptor de láminas. Para esto se montara un circuito eléctrico con un lámpara, que se encenderá y apagara por medio de un interruptor de láminas cuando un campo magnético actué sobre el interruptor. Monte en siguiente arreglo experimental. Saque de su soporte los 2 imanes permanentes pase uno de los imanes cerca del interruptor de láminas y observe el comportamiento del interruptor cuando se pasa el imán en diferentes posiciones, como se describe a continuación: Vertical: polo norte hacia abajo Vertical: polo sur hacia abajo Horizontal: polo norte hacia la izquierda Horizontal: polo sur hacia la izquierda


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¿Cuáles afirmaciones sobre los puntos de conmutación se confirman con el experimento y explique cada una detalladamente? a) Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de conmutación. b) Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de conmutación. c)

Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparece dos puntos de conmutación.

d) Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparece dos puntos de conmutación.

¿Reacciona el interruptor de láminas con mayor sensibilidad (incluso con distancias mayores) cuando se acerca el imán vertical u horizontalmente? Explique detalladamente Es más sensible al acercar el imán horizontalmente.

5.- CUESTIONARIO El polo sur del imán pasa delante del interr uptor de láminas.

¿Cuántos puntos de conmutación aparecen? Aparecen 4 puntos de conmutación.

¿Qué aplicaciones tiene el interruptor de laminas (reed)? Se utiliza para la detección de objetos. Como el interruptor de lámina esta sellado y nunca está expuesto al ambiente externo se utilizan en aplicaciones tales como el equipo minero y el monitoreo del nivel de fluidos. Generalmente se usa en aplicaciones industriales.

Principio del interruptor Hall Los sensores o elementos Hall se basan en el efecto Hall. Si un se nsor Hall se expone a un campo magnético, a su salida se genera una tensión, que tiene una relación lineal con la intensidad del campo magnético. Los sensores de efecto Hall con salida análoga se utilizan para medir la intensidad de campos magnéticos. En muchos casos no se requiere ninguna información análoga sobre la intensidad de un campo magnético, sino que solo basta con saber si existe o no. En esto consiste la función de los interruptores Hall. Los interruptores Hall son, en sí, sensores de efecto Hall con salida digital o de conmutación.

Interruptores Hall unipolares La modificación de estado de conmutación se produce ante el cambio de polaridad de un campo magnético de suficiente intensidad.

Aplicaciones ON (l lógico) cuando actúa un campo magnético sur con suficiente intensidad OFF (0 lógico) cuando se atenúa e l campo magnético


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Transformadores y Relees Magnéticos La mayor sensibilidad se obtiene cuando las líneas del campo magnético están perpendicularmente sobre el centro del chip del sensor.

Interruptores Hall bipolares Determinación de la posición del embolo en cilindros neumáticos Medición de la posición de rotores Medición del número de revoluciones


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