Universidad Nacional de Colombia. Espitia, Marquez. Equipos de laboratorio e intrumentos intrumentos
Uso de equipos de laboratorio e instrumentos de medida Espitia, Santiago 223326. Marquez, Jonathan 223102. Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, B ogotá, Colombia. Circutios Eléctricos II. Grupo6.
[email protected] [email protected] [email protected] R esumen esumen — E n esta pr pr áctica ácti ca debe debemo moss tener en cuenta algunos alg unos conceptos conceptos y r ecome ecomendaci ndaciones ones de los imp implem lementos entos que utili util i zar zar emos mos en el labor labor ator ator i o; ya que antes antes de entr entrar ar de lleno en la manipulación de dichos equipos en necesario sab saber cóm cómo funciona funcionan; n; est este e pre informe informe además prese resenta nta los los conceptos, mediciones e hipótesis necesarias para realizar el pri pri mer lab laborato ratori o de circuitos circuitos eléct léctri ri cos cos I I . Palabras claves — Valor Valor RMS, Valo pico a pico, frecuencia, tolerancia, presicion, exactitud.
I. I NTRODUCCIÓN L presente documento, constituye la base teórica y los análisis previos a la realización de la práctica Nº 1, mediante la cual trabajaremos con los instrumentos de medición que utilizaremos a lo largo del curso, reconociendo así, diferencias entre la teoría y la práctica, consecuencias de las especificaciones de los equipos y otros factores, que inciden en la medición.
E
II. OBJETIVOS
Manejar adecuadamente los elementos de laboratorio, mediante el conocimiento de sus escalas, identificando sus limitantes para algunas mediciones, mediciones, debido a las características de los equipos. Conocer las normas básicas de seguridad en el laboratorio. Reforzar conceptos básicos de circuitos eléctricos, como valor pico, RMS, forma de onda, entre otros. III. MARCO TEORICO
A continuacion se presentan una serie de conceptos que son esenciales al momento momento de desarrollar la practica.
ohmios, entrega la misma potencia promedio a la resistencia, que la corriente periódica [1]. Matemáticamente, Matemáticamente, el valor eficaz ( Root Mean Square – Raíz Raíz Media Cuadrática) se puede hallar teniendo la ecuación (2) dados las igualdades de potencia en un circuito con fuente directa y en un circuito con fuente alterna (1).
= 2 ∶ = 1 ∫0 2 = √ 1 ∫0 2 ó = √ 1 ∫0 2
(1) (2)
Para las señales periódicas también hay que tener en cuenta el valor DC o el valor medio temporal (el (el valor promedio de una señal en un lapso de tiempo, normalmente el período). Su expresión se denota a continuación para el valor medio temporal de tensión (3) [1].
= 1 ∫0
(3)
La presicion es la proximidad de concordancia entre valores medidos obtenida por mediciones repetidas de un mismo objeto, o de objetos similares, bajo condiciones especificadas. [6] La exactitud es la proximidad en concordancia entre un valor medido de la magnitud y un valor verdadero del mensurando.[6] El valor pico es el valor máximo (pico positivo) o mínimo (pico negativo) negativo) que alcanza alcanza una señal; generalmente, es el valor de la amplitud [5]. El valor pico pico a pico (V pp): Es la diferencia entre los voltajes pico de la señal; cuando tenemos ondas no simétricas respecto al origen, puede ocurrir que el valor valor de pico y valor pico a pico sean sean el mismo mismo [5].
El valor eficaz (RMS) es una medida de la eficacia de la fuente de tensión al suministrar una potencia promedio a una Periodo y frecuencia de una señal: Como las señales con carga. Este valor eficaz se puede hallar tanto en tensión como las que trabajaremos se repiten en el tiempo, poseen una en corriente en el circuito a suministrar. Para fuentes periódicas, que suministran por ejemplo una onda senoidal de frecuencia, definida como el número de veces que la señal se repite en un segundo; del mismo modo definimos el periodo, corriente, el valor eficaz de esta onda resulta igual al valor de la corriente directa, que al fluir entre una carga resistiva de r como el tiempo que tarda la señal al completar un ciclo [7].
Universidad Nacional de Colombia. Espitia, Marquez. Equipos de laboratorio e intrumentos IV. HIPOTESIS Y CUESTIONAMIENTOS A. ¿Qué tanto varía el valor de resistencia medido experimentalmente con respecto al mencionado por el fabricante? ¿Se encuentra dentro de la tolerancia?
Los valores de las resistencias están identificados por un código de colores y pueden variar su valor teórico del experimental de acuerdo al rango de tolerancia. La tolerancia indica que porcentaje puede variar el valor de la resistencia (ya sea mayor o menor) de su valor indicado en el código de colores. Los valores más comunes de dicha tolerancia son: 5%, 10% y 20%, pero también hay de 0.1%, 0.25%, 0.5%, 1%, 2%, 3% y 4%, aunque estas últimas no son las que usaremos en el laboratorio. B. ¿Qué diferencia existe entre los valores de tensión y corriente medidos con un osciloscopio, un multímetro y la teoría?
Al trabajar con el osciloscopio y el multímetro se puede tener la seguridad de contar con datos precisos, sin embargo la forma en la que el osciloscopio enseña la información deja a criterio del experimentador determinar el valor numérico, por lo tanto existe un rango de error respecto a la medida real, mientras que con el multímetro se muestra una medida más precisa, en cuanto a los datos esperados por la teoría es posible que hayan variaciones C. ¿Qué limitaciones tienen los equipos en cuanto a formas de onda y frecuencia en la práctica? ¿Concuerda con el fabricante?
El generador de ondas que usaremos en el laboratorio es de referencia GW instek GFG-8215A, y de acuerdo al datasheet de este equipo , su rango para frecuencias es de 0.3Hz~3MHz, por lo que si intentamos medir en frecuencias fuera de este rango, las mediciones pueden ser erróneas, pues son frecuencias o muy bajas o muy altas [2]
F. Teniendo en cuenta las tolerancias de los elementos ¿Cuál puede ser el error esperado en l as mediciones?
El error debe ser muy pequeño, considerando el rango de exactitud de los elementos dados por el fabricante: Generador: ±5% + 1Hz; Multímetro: AC 1.0%, DC 0.09%. G. ¿Qué diferencia existe al medir con un canal y con los dos canales del osciloscopio al mismo tiempo?
Esperamos que los valores obtenidos al emplear uno o dos canales en el osciloscopio no varíen mucho, debido a que dicho elemento está diseñado para ser efectivo en ese tipo de casos. Lo que si debemos tener en cuenta, es que los canales comparten la tierra, por lo que al momento de realizar mediciones de resistencia, por ejemplo, debemos separar las tierras de los canales; lo que comúnmente en la práctica se hace, es utilizar un 3 a 2,que es un dispositivo que anula la tierra del osciloscopio. H. Usando el dato de exactitud del multímetro, ¿Cuál es la incertidumbre de cada una de las medidas tomadas?
La incertidumbre de la medida obtenida con el multímetro digital, es la mitad del valor mínimo que registra este instrumento. Así que se espera que el resultado real se encuentre en este rango. V. MONTAJES A REALIZAR El dia de la practica comenzaremos midiendo las siguientes 4 resistencias con el multimetro a diferentes escalas y luego realizaremos las comparaciones entre las medidas obtenidas y explicaremos las diferencias con la tolerancia de cada resistencia. En la tabla 1 se observan los valores de resistencias escojidos y ademas en todas las tablas se deja espacio adecuado para poder anotar los valores medidos en el laboratorio. TABLA I REGISTRO DE LOS DATOS PARA DISTINTAS ESCALAS LECTURA MULTIMETRO Resistencias K Ω
D. ¿Qué valor arroja el multímetro cuando mide una señal AC+DC?
El valor que arroja el multímetro es el valor RMS de la señal AC mas la DC, es decir, la gráfica si la miráramos en un osciloscopio se vería la señal AC y un corrimiento en el eje Y correspondiente al valor DC. E. ¿Qué valor arroja el multímetro cuando mide una señal triangular?
El multímetro debe arrojar el valor RMS , siempre y cuando contemos con que el multímetro sea TRUE RMS , pues de lo contrario, el valor que arroja solo es el verdadero, si la señal es senoidal pura y tiene una frecuencia de 60Hz. [3]
Tolerancia 0,1Ω 5,1
±5%
3,3
±5%
1
±5%
0, 22
±5%
0,001KΩ
0,01KΩ
A continuacion se muestran las simulaciones de cada circuito diseñado y como se llevaran a cabo cada uno de estos en el laboratorio. A. Circuito con fuente DC
Primero se implementara el circuito mostrado en la figura 1, teniendo en cuenta los siguientes valores escojidos de resistencias con su respectica tolerancia:
5,1 kΩ ± 5%
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Para el circuito de la figura 2, tomamos como parametros de frecuencia, amplitud y los que se observan es esa grafica.
220 Ω ± % 1 kΩ ± 5% 3,3 kΩ ± 5% 330 Ω ± 5%
Luego se mediran tensiones y corriente con el multimetro y con el osciloscopio para asi poder compararlas con los valores teoricos.
Fig. 2. Circuito con generador de señales con onda seno a ba ja frecuencia
Fig. 1. Circuito con fuente DC
En la tabla 2 se muestran los valores calculados teoricamente, los cuales se obtuvieron analizando el circuitos por medio de mallas y en la tabla 3 se registraran los datos obtenidos en el laboratorio para este primer circuito. TABLAII VALORES OBTENIDO TEORICAMENTE CON FUENTE DC VALOR TEORICO Elementos
Resistencia K Ω Corriente mA Tension V
Fuente 10V
1,663
-10
Fig. 3. Simulacion con generador de señales con onda seno a baja frecuencia
Potencia W -0,01663
R1
5,1
1,663
8,4813 0,014104402
R2
3,3
0,4183
1,38039 0,000577417
R3
0,33
0,4183
0,138039 5,77417E-05
R4
0,22
1,2447
0,273834 0,000340841
R5
1
1,2447
1,2447 0,001549278
C. Circuito con generador de señales con onda seno a alta frecuencia
TABLA III VALORES OBTENIDOS EN LA PRACTICA PARA LA FUENTE DC VALOR MEDIDO El eme nt os
Te ns io n
C orri en te
P ote nci a
Re si ste nci a
Fuente 10V R1
Fig. 4. Circuito con generador de señales con onda seno a alta frecuencia
R2 R3 R4 R5
Al igual que en el circuito de la figura 1, se realizaran mediciones para los siguientes circuitos tomando los datos en el generador. Ademas en todas las siguientes graficas (fig. 3,5,7, 9) se puede ver la señal como la podriamos ver en el osciloscopio, donde la señal de color verde es la señal de salida que sale del generador y la señal de color rojo corresponderia al valor RMS que se mostraria el multimetro. B. Circuito con generador de señales con onda seno a baja frecuencia Fig. 5.Simulacion con generador de señales de onda triangular
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D. Circuito con generador de señales con onda seno mas componente DC
Fig. 6. Circuito con generador de señales de onda seno mas componente DC Fig. 9. Circuito con generador de señales de onda triangular
En las tablas 4 y 5 se llevara el registro de los datos obtenidos en la practica. TABLA IV VALORES OBTENIDOS DE LA SIMULACION PARA LAS DISTINTAS FUENTES VALOR TEORICO Elemento Generador onda seno Generador onda seno
Tension pico
Frecuencia Hz
a pico V
Valor RMS (V)
0,3
20
7,070
2000000
20
7,066
60
20
7,464
60
20
5,757
Generador onda seno + componente DC
Fig. 7. Simulacion con generador de señales de onda seno mas componente DC
Generador señal triangular
TABLA V REGISTRO DE LOS DATOS PARA LAS DISTINTAS FUENTES
E. Circuito con generador de señales con onda triangular
VALOR MEDIDO Elemento
Frecuencia Hz
Tension pico a pico V
Valor RMS (V)
Generador onda seno Generador onda seno Generador onda seno + componente DC Generador señal triangular
Fig. 8. Circuito con generador de señales de onda triangular
VI. MATERIALES E INSTRUMENTOS Para la práctica que se va llevar a cabo se utilizaran los siguientes elementos:
1 Osciloscopio de 2 canales 1 Generador de señales 1 Multímetro 3 Sondas
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1 Fuente D.C. Conectores Caiman-Caiman Resistencias según diseño VII. BIBLIOGRAFÍA
[1] Dorf, Svoboda. “Circuitos eléctricos: Introducción al análisis y diseño”. Alfaomega. 3ra edición. [2] Datasheet generador de señales. [En línea]. < http://www.atequip.com/pdfs/GFG8216A8215A[1].pdf> [ Citado el 26 de Febrero de 2012] [3] Datasheet Multímetro Fluke. [En línea].
[Citado el 26 de Febrero de 2012] [4] PSpice Student. OrCAD Capture . [5] Universidad de Antioquia. Laboratorio de Circuitos I. [En línea [Citado el 27 de Febrero de 2012] [6] UNIVERSIDAD NACIONAL SEDE MEDELLIN. Taller experimental: terminos fundamentales utilizados en metrologia [En linea] [citado el 27de Noviembre de 2012] [7] CARDENAS, Ruben Dario. Metrologia e intrumentacion. 1ra edicion. Editorial Grin. 2009. Pag 80.
