Laboratorio de Electricidad I.
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Objetivos
Conocer y utilizar software de simulación y aplicarlo al cálculo y ealuación de circuitos el!ctricos. "aluar y reforzar el aprendiza#e de los temas de la$oratorios anteriores. II. II.
Mate Materi rial al y Equi Equipo po
PC con software de simulación Livewire III. III.
Fund Fundam amen ento to Teóric órico o
"n el presente la$oratorio se tra$a#ará con software de simulación a fin de recordar y reforzar los temas istos en las sesiones anteriores. Por tanto% será releante el fundamento teórico de todos los la$oratorios anteriores. &l 'a$lar de de (imulación (imulación por Computadora Computadora%% estamos utilizando utilizando 'erramientas 'erramientas informáticas informáticas con con el fin de reducir costo% tiempo y)o riesgo en la ela$oración de sistemas reales a tra!s de modelos. "l modelamiento es parte importante de cual*uier proceso de dise+o. (e $uscará refle#ar de la me#or forma posi$le el sistema real *ue se *uiera representar% a fin de o$tener del modelo conclusiones *ue sean aplica$les al caso real. "n particular se usará modelamiento por computadora para simular a*uellos sistemas *ue son fácilmente e,plica$les a tra!s de modelos matemáticos% pero cuyo cálculo pudiera ser largo y tedioso% especialmente si son sistemas *ue cam$ian en el tiempo y resulta totalmente inia$le realizar cálculos o mediciones demasiado frecuentes en el tiempo. os sistemas el!ctricos y electrónicos electrónicos cumplen con estas caractersticas. caractersticas. a mayora de dispositios el!ctricos y electrónicos tienen comportamiento ya modelado desde el punto de ista matemático y por tanto se pueden utilizar durante la simulación por computadora. "l cálculo manual resultara muy tedioso tratándose de circuitos *ue cam$ian con el tiempo y% en particular% cuando alg/n dispositio presente un comportamiento no lineal como sucede con muc'os dispositios electrónicos. "n este la$oratorio utilizaremos el software iewire 2 Professional "dition% programa de simulación el!ctrica y electrónica poderoso y simple de usar. De$e tenerse en cuenta *ue los resultados de un proceso de simulación siempre dependerán de la calidad de los modelos utilizados. (e de$erá considerar el error pro$a$le en función a la precisión de estos modelos. "n particular% el software iewire permite tra$a#ar con modelos $astante precisos% incluso elegir entre dispositios 3reales3 ó 3ideales3% entendi!ndose por esta distinción como una elección entre modelos más comple#os o simples para los mismos dispositios. Por e#emplo% un ca$le se podra considerar como un ca$le ideal sin resistencia o como un ca$le real en el *ue además de resistencia por unidad de longitud tam$i!n se tenga otros parámetros capacitancia o inductancia *ue pudieran afectar el comportamiento del sistema simulado. Dependerá del e,perimentador determinar cuándo es releante el efecto de la simulación a tra!s de modelos más comple#os. "sta situación es análoga a considerar el efecto de los instrumentos de medición dentro del sistema a ser medido. Por e#emplo% sa$emos *ue un ampermetro ideal de$e comportarse como un circuito cerrado% pero un ampermetro real se comporta como una resistencia muy $a#a. (erá la$or del e,perimentador determinar cuándo esa resistencia $a#a puede afectar a la propia medición% es decir% cuando se est! midiendo la corriente a tra!s de una resistencia de carga lo suficientemente $a#a como para *ue el ampermetro en serie represente una p!rdida releante. "n el presente la$oratorio tam$i!n 'aremos una $ree introducción de los Condensadores. Condensadores . "l Condensador es un elemento capaz de almacenar carga el!ctrica 'asta cierto lmite% en función de su propiedad llamada Capacitancia% Capacitancia % *ue se mide en Faradios. Faradios . a Capacitancia de un condensador se define como la relación entre la Carga almacenada en !l 4 y la tensión entre sus terminales% necesaria para almacenar dic'a carga 5. De esta manera
C=!" Por tanto% una capacitancia de 1 7aradio corresponderá a 1 Coulombio de Coulombio de carga almacenada gracias a una diferencia de potencial de 1 Voltio entre Voltio entre los e,tremos del condensador. "l 7aradio es una unidad $astante grande% es por ello *ue se utilizan sus su$m/ltiplos% el microFaradio 87% picoFara 87% picoFaradio dio p7 p7 y nanoFaradio n7. nanoFaradio n7.
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$rocedimiento
1. &$ra el programa Livewire. (i aparece una entana titulada Start Here% eli#a a' la opción Electric Circuits a fin de a$rir la carpeta de circuitos el!ctricos dentro de los e#emplos disponi$les en el programa. (i no aparece dic'a entana% utilice la opción del men/ File% Open% eli#a la carpeta C:\Archivos de programa\ew !ave Concepts\Live!ire\E"amples\Electricit# . (eleccione el arc'io $ulb Circuit%lvw y á$ralo. 9.
(e a$rirá una simulación de un circuito simple con una lámpara incandescente conectada en serie con una $atera de 6 oltios y un interruptor% de acuerdo con los gráficos siguientes
Current Flow: Simulación que muestra la corriente que circula por el circuito, en color rojo cuando esté a mayor potencial y en color verde cuando sea menor.
Voltage Levels : En este caso se muestra una pequeña barra roja en los puntos que están a un potencial positivo y una barra azul en aquellos negativos.
:. &demás se mostrará una galera incluyendo nueos dispositios a colocar dentro de un circuito. "n ella podrá elegir entre diferente tipo de fuentes de alimentación y $ateras% dispositios resistios ;esistencias fi#as y ;esistencias aria$les seg/n alg/n parámetro% sea este la posición de un cursor% la temperatura del dispositio% la luz incidente% etc. "n caso de cerrarse esta entana podrá a$rirla presionando Ctrl&F' . <.
=am$i!n dispondrá de diferentes tipos de conectores% terminales de cone,ión% instrumentos de medición% dispositios de salida como lámparas o zum$adores% motores% interruptores% etc.
>. "n el caso de nuestro primer circuito tenemos una lámpara% una $atera y un interruptor. Podrá erificar *ue la lámpara se enciende cuando actia el interruptor 'aciendo clic con el mouse. 6. ?ay *ue notar *ue% como se trata de un circuito de e#emplo dentro del programa% se encuentra protegido a fin de eitar modificaciones. Por tanto procederemos a guardar una copia del circuito y en ella realizaremos algunas modificaciones luego de desprotegerla. (eleccione el men/ File% Save As y colo*ue el nom$re $ulb Circuit (odi)icado%lvw y eli#a guardar. Posteriormente% en este nueo arc'io% eli#a la opción File% *nprotect +ocument a fin de modificarlo. @.
De$e notar *ue% por defecto% el arc'io se a$rió en el modo de e#ecución de la simulación. Note en los iconos de la parte superior *ue está seleccionado el $otón ,la# . & fin de realizar modificaciones de$e presionar el $otón de Stop cuadrado negro. Posteriormente se olerá a e#ecutar la simulación con el $otón ,la# .
A. Colo*ue un ampermetro en serie con la lámpara. Para ello% del grupo (easuring eli#a Ammeter . "limine el ca$le inferior del circuito y reemplácelo por el ampermetro. De ser necesario rote el ampermetro eligiendo la opción Arrange del men/ conte,tual $otón derec'o so$re el ampermetro. "l circuito de$erá *uedar como en la figura. "n el men/ conte,tual% opción (ode% aseg/rese de *ue el ampermetro est! en modo DC.
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&ctie el $otón Play. &'ora el circuito está funcionando pero la lámpara no enciende pues el interruptor (1 no está actiado. ?aga clic en (1 y comprue$e *ue la lámpara se enciende. &demás% seg/n en modo de isualización en el *ue se encuentre% podrá er las $arras de color *ue indi*uen mayor o menor potencial en el modo Voltage Levels o la corriente fluyendo% de color ro#o en el ca$le *ue está a mayor potencial y de color erde en el de menor modo Current Flow .
10. =ome nota de la medición del ampermetro% incluyendo las unidades AB.B9m& 11. Considerando *ue la fuente es de 6% determine el alor de resistencia de la lámpara 0.066@9E' 19. Calcule la potencia *ue está siendo utilizada por la lámpara >:B.>9m 1:. Colo*ue otras dos lámparas en paralelo. Puede sacarlas del grupo Futput Componentes% o 'acer copias de la lámpara ya e,istente. ?aga las cone,iones #alando con el mouse el ca$le de cada terminal de la lámpara y conectándolo en el punto de cone,ión adecuado. 1<. &ctie la simulación y tome nota de la medición del ampermetro96B.96m& 1>. Determine el alor de resistencia e*uialente de las : lámparas en paralelo0.0999AE' 16. Calcule la potencia *ue está siendo utilizada por las : lámparas 161>.>6m 1@. G4u! conclusión puede sacar del comportamiento del circuito $a#o esta nuea configuraciónH (e pudo concluir *ue la resistencia del primer circuito es mayor al del segundo circuito. (us alores son del primer circuito es 0.066@9E' y del segundo circuito es 0.0999AE'.
1A. &'ora modifi*ue el circuito para tener una lámpara en serie con las otras dos *ue están en paralelo. Para esto% tendrá *ue eliminar el ca$le *ue une a la lámpara 1 con el interruptor% y en su lugar colocar una de las otras lámparas. De ser necesario muea 'acia arri$a el interruptor a fin de 'acer espacio para la nuea lámpara. 1B. &ctie la simulación y tome nota de la medición del ampermetro 90. GPor *u! cree *ue las dos lámparas en paralelo no se encienden con la misma intensidad *ue la lámpara *ue está en serie con ellasH Por*ue el primera lámpara esta en serie lo cual tiene más intensidad y la segunda lámpara y la tercera lámpara están en paralelo y es por eso *ue ello ni tienen le misma intensidad *ue el primera lámpara. 91. GCuánto de$e ser la Intensidad de Corriente por la lámpara en serieH :B.BAm& 99. GCuánto de$e ser la Intensidad de Corriente por cada lámpara en paraleloH 1B.BBm& 9:. Calcule la potencia utilizada por cada lámpara 1J-1>B.A@m % 9J-:B.B@m y :J- :B.B@m 9<. Calcule la potencia *ue está siendo utilizada por las : lámparas :>B.@6m 9>. GCoincide esta potencia calculada con la suma de las tres potencias indiidualesH 96. &$ra el arc'io Landing Light%lvw . 9@. ",pli*ue el funcionamiento de este circuito y para *u! sire "ste circuito es una conmutación es decir sire para energizar y desenergisar una lampara de dos puntos diferentes
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Laboratorio de Electricidad 9A. &$ra el circuito -nput Sensors%lvw
9B. "stos circuitos simulan la presencia de sensores. 5n sensor puede tener diferentes comportamientos relacionados a una propiedad *ue cam$ia en relación con la magnitud *ue está midiendo. "n el circuito superior tenemos una Foto .esistencia ;1 cuyo alor cam$ia seg/n la cantidad de luz *ue incide so$re ella no confundir con una fotocelda% *ue lo *ue 'ace es generar un olta#e seg/n la luz incidente. "n el circuito de a$a#o tenemos una =ermo ;esistencia cuyo alor ara con la temperatura. "n am$os casos 'ay un oltmetro mostrando la tensión en el punto intermedio del circuito la tensión en la carga ;9 para el primero y en la propia termo resistencia para el segundo% además de un graficador para mostrar la ariación 'istórica de las mediciones. :0. 5sted puede modificar los alores de simulación de intensidad luminosa y temperatura moiendo el cursor *ue 'ay en la foto resistencia y en la termo resistencia. =ome nota de los alores de tensión para cada uno de los alores de intensidad luminosa y temperatura indicados y calcule la intensidad de corriente por el circuito en cada caso Intensidad uminosa en ;1 lu,
Cada de =ensión en ;9 oltios
Corriente por ;9
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Cada de =ensión en ;< oltios
Corriente por ;<
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:1. Krafi*ue cada una de las ta$las de alores de tensión en función de su correspondiente magnitud de medición. &seg/rese de distri$uir adecuadamente los alores en la escala 'orizontal a fin de o$tener diisiones distri$uidas uniformemente.
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:9. G4u! puede determinar a partir del gráfico de tensión s intensidad luminosaH
::. G4u! puede determinar a partir del gráfico de tensión s temperaturaH
:<. &$ra el arc'io Capacitor Charging%lvw *ue representa otro tipo de dispositio *ue puede estar presente en un circuito% el Condensador% capaz de almacenar carga el!ctrica 'asta cierto lmite% en función de su propiedad llamada Capacitancia% la *ue se mide con una unidad llamada 7aradio y sus su$m/ltiplos% el micro7aradio 87% pico7aradio p7 y nano7aradio n7. :>. a Capacitancia de un condensador se define como la relación entre la Carga almacenada en !l 4 y la tensión entre sus terminales% necesaria para almacenar dic'a carga 5. De esta manera CL4)5 :6. Por tanto% una capacitancia de 1 7aradio corresponderá a 1 Coulom$io de carga almacenada gracias a una diferencia de potencial de 1 oltio entre los e,tremos del condensador. "l 7aradio es una unidad $astante grande% es por ello *ue se utilizan sus su$m/ltiplos% el micro7aradio 87% pico7aradio p7 y nano7aradio n7. :@. "l circuito muestra el comportamiento de un condensador cuando se conecta a una fuente a tra!s de una resistencia en serie posición superior del interruptor (1. Podrá o$serar *ue el condensador a acumulando carga conforme pasa el tiempo desde *ue se enciende el circuito% y esa acumulación de carga se traduce en una diferencia de potencial entre sus e,tremos% *ue se opone al ingreso de nueas cargas. :A. "n cada instante de tiempo% la cada de tensión entre los e,tremos de la resistencia será la diferencia entre la tensión de la $atera y la tensión en ese momento en los e,tremos del condensador. "entualmente el condensador se cargará 'asta el niel de tensión de la $atera% en cuyo caso no circulará ninguna corriente a tra!s de la resistencia. :B. Cuando moemos el interruptor (1 a la posición inferior% la resistencia *ueda con un e,tremo conectado a tierra y el otro al condensador% *ue se encuentra cargado. "n este momento% dado *ue el condensador tiene una diferencia de potencial entre sus e,tremos relacionada con la cantidad de carga almacenada% empieza a suministrar corriente a la resistencia en sentido inerso al *ue tuo la corriente durante la carga del condensador. "sta corriente circula 'asta *ue el condensador ya no tenga carga almacenada recuerde *ue la -ntensidad de Corriente se define como la Cantidad de Carga en (ovimiento por un circuito.
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<0. Di$u#e la gráfica de olta#e instantáneo *ue se o$tiene durante la carga del condensador interruptor (1 en la posición superior. Determine en cuánto tiempo llega desde una tensión cero
'asta los dos tercios de la tensión de la $atera 6 oltios MMMMMMMMMM <1. Di$u#e la gráfica de olta#e instantáneo *ue se o$tiene durante la carga del condensador interruptor (1 en la posición superior. Determine en cuánto tiempo llega desde la tensión má,ima B oltios 'asta un tercio de !sta : oltios MMMMMMMMMM
<9. (e define la constante de tiempo del circuito% / L ;.C donde ; es la resistencia y C la capacitancia del condensador. as unidades de / serán en segundos y se puede demostrar *ue es el tiempo *ue demora el circuito en cargarse 'asta dos tercios del alor má,imo o en descargarse 'asta un tercio de !ste. Calcule el alor de / para el circuito MMMMMMMMMM <:. erifi*ue *ue / tenga el mismo alor *ue los determinados en las gráficas de los puntos <0 y <1
#.
Observaciones y Conclusiones%
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