Circuitos RC/RL/LC
Fuente: Yong P. Chen, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de Ciencias, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN
Resistencias (R), cond…
1. utilizando un osciloscopio
- Obtener un osciloscopio, un pequeño foco (con resistencia R de unos Ω), un interruptor y una fuente de voltaje DC (o alternativamente una batería V 1.5).
- Conecte el circuito como se muestra en la figura 4, con el interruptor abierto. Las conexiones en este experimento pueden realizarse con cables, abrazaderas, o enchufes de plátano en la recepción de los puertos en los instrumentos.
- Seleccione la escala vertical del osciloscopio a una gama que es cercano a 1 V. Seleccione la escala de tiempo del osciloscopio a una gama que es cercano a 1 s.
- Cerrar el interruptor (así encender la bombilla de luz). Observar la bombilla, así como el rastro ("onda") en la pantalla del osciloscopio. El osciloscopio, conectado en paralelo a la bombilla, mida el voltaje a través de la bombilla, y este voltaje es proporcional a la corriente a través de la bombilla.
- Ahora abra el interruptor otra vez (así apagar la bombilla). Observe otra vez la bombilla, así como el rastro ("onda") en la pantalla del osciloscopio.
- Repita los pasos 1.4 y 1.5, si es necesario.
Figura 4 : Diagrama que muestra un foco conectado a una fuente de voltaje con un interruptor. Un osciloscopio está conectado en paralelo con la bombilla de luz para medir la tensión (proporcional a la corriente).
2. circuito RL
- Obtener un inductor con inductancia L de 1 milihenry (mH).
- Conectar el inductor en serie a la bombilla (con el osciloscopio conectado en paralelo con la bombilla de luz) y a la tensión de la fuente con un interruptor abierto, como se muestra en la figura 5a.
- Cerrar el interruptor. Observar la bombilla, así como la forma de onda en el osciloscopio.
- Abra el interruptor. Obtener otra bombilla (de la misma clase que la primera bombilla de luz) y conectarlo en paralelo con la primera bombilla de luz, como se muestra en la figura 5b.
- Repita el paso 2.3 (cerrar el interruptor) y observar las bombillas y el osciloscopio.
Figura 5 : Diagrama que muestra un circuito RL, con una bombilla (a) o dos focos de luz paralelo (b) actúa como resistor (R). Un osciloscopio está conectado en paralelo con las bombillas para medir el voltaje a través de las bombillas, proporcional a la corriente total.
3. circuito RC
- Obtener un capacitor con una capacitancia de 1 faradio (F).
- Conectar el condensador en serie con la bombilla (que está conectada en paralelo con el osciloscopio) y junto a la tensión de la fuente con el interruptor abierto, como se muestra en la Figura 6a. Esto corresponde al circuito similar que se muestra en la figura 5a conectado en el paso 2.2, excepto con el inductor sustituido por el condensador.
- Cerrar el interruptor. Observar la bombilla, así como la forma de onda en el osciloscopio.
- Abra el interruptor. Conecte la segunda bombilla en paralelo con la primera bombilla de luz, como se muestra en la figura 6b.
- Repita el paso 3.3 (cerrar el interruptor) y observar las bombillas y el osciloscopio.
Figura 6 : Diagrama que muestra un circuito RC, con una bombilla (a) o dos focos de luz paralelo (b) actúa como resistor (R). Un osciloscopio está conectado en paralelo con las bombillas para medir el voltaje a través de las bombillas, proporcional a la corriente total.
3. circuito LC
- Conectar un inductor 8 de mH en serie con otro interruptor abierto (interruptor #2) y, juntos, en paralelo a un condensador de 10 μF, como se muestra en la figura 7. Cerrar el interruptor #1 para tener el condensador cargado. No hay bombillas se utilizan en esta parte del experimento.
- Conecte el osciloscopio en paralelo con el condensador, como se muestra en la figura 7.
- Ahora abierto interruptor #1, luego cambiar enseguida también #2. Observar el osciloscopio.
Figura 7 : Diagrama que muestra un inductor (L) con un interruptor conectado en paralelo a un condensador (C), que forma parte de un circuito RC serie estudiado en la figura 6. Ahora, el osciloscopio está conectado en paralelo con el inductor para medir su voltaje.
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La resistencia 'R', el inductor 'L' y el condensador 'C' son elementos fundamentales del circuito, cada uno con diferentes propiedades que son la base de todos los dispositivos eléctricos modernos.
Una resistencia es un componente eléctrico que disipa energía, generalmente en forma de calor. Por el contrario, un condensador almacena energía en un campo eléctrico y un inductor almacena energía en un campo magnético.
Cuando las resistencias, los condensadores y los inductores están conectados entre sí, los circuitos muestran respuestas dependientes del tiempo y la frecuencia útiles para el procesamiento de señales de CA, radios, filtros eléctricos y muchas otras aplicaciones.
Este video ilustrará los comportamientos de un circuito resistencia-condensador y un circuito resistencia-inductor, y mostrará la oscilación en un circuito inductor-condensador con poca pérdida de energía resistiva.
Aprendamos cómo se comportan la corriente y el voltaje en circuitos que involucran resistencias, inductores y condensadores.
Primero, hablemos de un circuito de una resistencia en serie con un condensador, llamado circuito RC. Cuando el interruptor está cerrado, la salida de la fuente de voltaje se aplica a ambos componentes y la corriente comienza a fluir. Como el condensador está inicialmente sin carga, tiene voltaje cero en sus terminales. Por lo tanto, toda la salida de la fuente de voltaje aparece a través de la resistencia y la corriente está en su valor máximo.
Si observamos el gráfico de voltaje y corriente contra el tiempo, inicialmente VR es igual al voltaje de la fuente, el voltaje a través del condensador 'VC' es cero y la corriente está en su máximo. A medida que la corriente carga el condensador, 'VC' aumenta. En respuesta, la VR disminuye y, por lo tanto, la corriente también disminuye, de acuerdo con la Ley de Ohm. Finalmente, el voltaje de la resistencia es cero y el flujo de corriente se detiene.
Un análisis similar es posible para un circuito RL que consta de una resistencia en serie con un inductor. En el instante en que se cierra el interruptor, el flujo repentino de carga crea un campo magnético en el inductor, y su voltaje 'VL' es igual al voltaje de la fuente. En consecuencia, la VR inicial es cero y, por lo tanto, la corriente inicial también es cero.
Ahora, para monitorear los cambios, echemos un vistazo a los gráficos de voltaje y corriente como antes. Con el tiempo, a medida que el voltaje del inductor disminuye, el voltaje a través de la resistencia aumenta y, por lo tanto, la corriente también aumenta. En última instancia, el voltaje del inductor es cero, toda la salida de la fuente de voltaje está a través de la resistencia y la corriente está en su valor máximo.
La caída de los transitorios de corriente y voltaje en los circuitos RC y RL es causada por la disipación de energía en la resistencia. Por el contrario, un circuito LC, que tiene un condensador conectado a un inductor, idealmente no tiene resistencia ni pérdida de energía, y exhibe un comportamiento muy diferente.
Si el condensador en este circuito se carga a un voltaje V y luego se conecta al inductor, la energía eléctrica almacenada en el condensador se transfiere al inductor y se convierte en energía magnética. Luego, el inductor transfiere su energía de regreso al condensador, luego el proceso se invierte con la corriente que fluye en la dirección opuesta, este proceso se repite indefinidamente y el voltaje a través de cada componente oscila sinusoidalmente con el tiempo.
Un circuito RLC como este agrega una resistencia al circuito LC. Las oscilaciones en esta configuración se amortiguan porque la resistencia disipa energía durante cada ciclo. Eventualmente, las oscilaciones se detienen cuando el voltaje y la corriente decaen a cero.
Ahora que hemos explicado los conceptos básicos de los circuitos RC, RL y LC, echemos un vistazo a sus comportamientos en el laboratorio.
Obtenga un osciloscopio, una bombilla pequeña con una resistencia de unos pocos ohmios, un interruptor y una fuente de alimentación de voltaje de CC o una batería de 1,5 voltios. Ensamble este circuito y deje el interruptor abierto.
Seleccione la escala vertical del osciloscopio a 1 voltio por división y la escala de tiempo a 1 segundo por división. Más adelante puede ser necesario ajustar estos ajustes para una visualización óptima de las señales durante las distintas pruebas.
Cierre el interruptor para alimentar la bombilla.
Debido a que la bombilla actúa como una resistencia, la corriente a través de ella es proporcional al voltaje. Como muestran los trazos del osciloscopio, la bombilla se ilumina instantáneamente cuando el interruptor se cierra y se oscurece instantáneamente cuando se abre el interruptor.
Ensamble el circuito como se muestra con un condensador de 1 faradio en serie con la bombilla. Tenga en cuenta que el osciloscopio mide el voltaje a través de la resistencia. Deje el interruptor abierto hasta el inicio de la prueba.
Cierre el interruptor y observe el rastro de la bombilla y el osciloscopio. La bombilla se enciende brevemente antes de oscurecerse porque el condensador pasa corriente cuando el voltaje cambia repentinamente, cuando el interruptor se cierra. A medida que pasa el tiempo, la corriente a través del circuito decae debido a la resistencia de la bombilla y la capacitancia.
Abra el interruptor y modifique el circuito conectando una segunda bombilla en paralelo con la primera.
Vuelva a cerrar el interruptor. Observe el rastro de las bombillas y del osciloscopio. Las dos bombillas paralelas se encienden y apagan más rápidamente que una sola bombilla. Esto se debe a que la resistencia paralela de dos bombillas es menor que la resistencia de una sola bombilla. El circuito resultante tiene una caída más corta en la corriente y una respuesta más rápida.
Ensamble este circuito con un inductor Henry de 1 mili en serie con la bombilla. Deje el interruptor abierto hasta el inicio de la prueba.
Cierre el interruptor y observe el rastro de la bombilla y el osciloscopio. La bombilla tarda un poco en encenderse porque el inductor conduce poca corriente cuando el voltaje cambia repentinamente, como cuando se cierra el interruptor.
A medida que pasa el tiempo, la corriente del inductor, y la que pasa a través de la bombilla, se acerca a un nivel de estado estacionario. Abra el interruptor y conecte una segunda bombilla en paralelo con la primera.
Vuelva a cerrar el interruptor. Observe el rastro de las bombillas y del osciloscopio. Las dos bombillas paralelas se encienden y apagan más lentamente que una sola bombilla. Esto se debe a que la resistencia paralela de dos bombillas es menor que la resistencia de una sola bombilla.
Ensamble este circuito con un condensador de 10 micro faradios y un inductor Henry de 8 mili, junto con el osciloscopio conectado a través del condensador. Cierre el interruptor 1 para cargar el condensador y deje el interruptor 2 abierto hasta el inicio de la prueba.
Abra el interruptor 1 para desconectar la fuente de voltaje del circuito. Cierre el interruptor 2 y observe el osciloscopio. El voltaje del inductor oscila y puede mostrar cierta amortiguación causada por la pequeña resistencia de los cables en el circuito. El período de oscilación es del orden de milisegundos, lo que es consistente con el tiempo esperado basado en los valores de capacitancia y resistencia.
Las resistencias, condensadores e inductores son componentes simples, pero los circuitos RC, RL y LC que los utilizan tienen comportamientos complejos, lo que permite muchas aplicaciones en el procesamiento de señales electrónicas, circuitos de temporización y filtros.
En este ejemplo, los investigadores implantaron transmisores de radio subcutáneos en ratones para estudiar la presión arterial mientras se movían libremente. Los receptores de radio suelen utilizar circuitos inductor-condensador para seleccionar una frecuencia específica de la banda ancha de energía de radiofrecuencia interceptada, o RF. La frecuencia correcta transporta la información deseada para su amplificación y posterior procesamiento mediante electrónica adicional en el receptor.
Los electroencefalógrafos miden la actividad eléctrica en el cerebro. Los electrodos colocados sobre el cuero cabelludo captan señales de nivel de milivoltios en un amplio rango de frecuencias. Los circuitos RC, RL y LC forman parte de los filtros que reducen la interferencia eléctrica y los artefactos, lo que ayuda a la adquisición de datos significativos.
Acabas de ver la introducción de JoVE al comportamiento dependiente del tiempo de los circuitos que utilizan resistencias, condensadores e inductores. Ahora debe comprender los conceptos básicos de los circuitos RC, RL y LC, y cómo estos circuitos difieren entre sí. ¡Gracias por mirar!
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Q1: What is the difference between how a resistor, capacitor, and inductor store or dissipate energy?
A resistor dissipates energy as heat and obeys Ohm's law, with voltage proportional to current. A capacitor stores electrical energy in an electric field, with current proportional to the rate of voltage change. An inductor stores magnetic energy in a magnetic field, with voltage proportional to the rate of current change. These distinct properties make each component essential for different circuit behaviors.
Q2: Why does a light bulb turn on instantly in a resistor circuit but gradually in an RC circuit?
In a pure resistor circuit, current flows immediately when the switch closes, so the bulb brightens instantly. In an RC circuit, the uncharged capacitor initially passes current, causing the bulb to glow briefly. As the capacitor charges, current decays through the resistor, and the bulb darkens. This time-dependent response occurs because the capacitor's voltage builds up over time.
Q3: How does an inductor affect the initial current flow when a switch closes in an RL circuit?
When the switch closes in an RL circuit, the inductor creates a magnetic field that opposes the sudden current change, so initial current is zero. The inductor voltage equals the source voltage initially, leaving zero voltage across the resistor. Over time, the inductor voltage decreases, resistor voltage increases, and current rises until reaching steady state. This delayed response contrasts with the immediate current in resistive circuits.
Q4: What happens to energy in an ideal LC circuit with no resistance?
In an ideal LC circuit, electrical energy stored in the charged capacitor transfers to the inductor and converts to magnetic energy. The inductor then returns this energy to the capacitor, and the process repeats indefinitely. Current flows in alternating directions, causing voltage across each component to oscillate sinusoidally with time. No energy is lost because there is no resistive dissipation.
Q5: How does adding a resistor to an LC circuit change its oscillatory behavior?
Adding a resistor to an LC circuit creates an RLC circuit where oscillations dampen because the resistor dissipates energy during each cycle. The voltage and current no longer oscillate indefinitely; instead, they decay toward zero as energy is converted to heat. The rate of damping depends on the resistance value, with higher resistance causing faster energy loss and quicker cessation of oscillations.
Q6: Why do two parallel light bulbs respond faster than a single bulb in an RC circuit?
Two parallel light bulbs have lower combined resistance than a single bulb. In an RC circuit, lower resistance causes faster current decay and a quicker voltage response across the capacitor. The reduced time constant means the capacitor charges more rapidly, so the bulbs turn on and off more quickly than with a single resistor. This demonstrates how resistance directly affects transient response time.
Q7: What are practical applications of RC, RL, and LC circuits in real devices?
RC, RL, and LC circuits are used in radios to select specific frequencies from broad radiofrequency bands using inductor-capacitor resonance. Electroencephalographs employ RC, RL, and LC circuits as filters to reduce electrical interference and artifacts from brain signal measurements. These circuits enable AC signal processing, timing circuits, and frequency-dependent filtering essential to modern electronics and medical instrumentation.