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Informe de laboratorio No. 5 Circuito RC con Osciloscopio Jeisson Jair Benavides (285977)1, Cesar Iván Alarcón Alarcón (285893)2, Juan Pablo Montenegro (285920)3, Sebastián Sebastián Álvarez (285894)4, Kevin Londoño (244993)5
Resumen — En esta práctica de laboratorio se interactuó con algunos de los instrumento de medida más útiles en la electrónica como son el Osciloscopio y el generador de señales con la idea de familiarizarnos con los controles y utilidad de los mismos. Luego de obtener cierto conocimiento básico sobre los mismos se procedió a montar un circuito RC con la ayuda de un condensador de capacitancia variable y una resistencia variable para observar las gráficas correspondientes de carga y descarga del condensador. Palabr as clave — Condensador, resistencia, corriente eléctrica, capacitancia, Voltaje, Osciloscopio, Generador de Señales.
I. I NTRODUCCIÓN n el estudio de circuitos que contienen condensadores de baja capacitancia, resulta muy complicado analizar el comportamiento en ellos como la variación de voltaje en función del tiempo por métodos convencionales, para ello, en el laboratorio se tomó medida de estos tiempos mediante el osciloscopio, que permite gracias a sus escalas de tiempo muy pequeñas analizar de manera más precisa el comportamiento de los condensadores en un circuito.
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II. MARCO TEÓRICO Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo.
Osciloscopio:
Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma.
FIGURA 1: Osciloscopio
Es un dispositivo usado para almacenar energía sustentando un campo eléctrico. En el laboratorio se utilizaron condensadores electrolíticos, los cuales reciben su nombre por el material del dieléctrico que contienen, se debe tener especial cuidado con este tipo de condensadores ya que pueden almacenar gran carga pero tienen una Polaridad para su conexión, si este se conecta mal polarizado el dispositivo se daña y en e n ciertos casos genera una explosión que puede ser peligrosa para el operario. Condensador:
También llamado diferencia de potencial, es el trabajo necesario para llevar una unidad de carga a través de un campo de un punto en el espacio a otro.
Voltaje:
se define como el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material, es decir la velocidad con la que pasan las cargas a través de una superficie transversal. Corriente eléctrica:
Generador de Señales:
Un generador de señales es un instrumento que proporciona señales eléctricas. En concreto, se utiliza para obtener señales periódicas (la tensión varía periódicamente en el tiempo) controlando su periodo (tiempo en que se realiza una oscilación completa) y su amplitud (máximo valor que toma la tensión de la señal). Típicamente, genera señales de forma cuadrada, triangular y la sinusoidal, que es la más usada. Sus mandos de control más importantes son: -Selector de forma de onda. -Selector de rango de frecuencias y de ajuste continuo de éstas.
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III. METODOLOGÍA En el laboratorio se tenía un Osciloscopio, un generador de señales, un condensador con capacitancia variable y una resistencia variable, con dichos elementos se llevó a cabo la siguiente práctica: FIGURA 2: Generador de señales
1. MANEJO DEL OSCILOSCOPIO Periodo:
Tiempo que trascurre entre 2 punto equivalentes de la onda, las unidades con las que se mide el periodo son los segundos [s] y este se representa con la letra . Frecuencia: Numero de
oscilaciones por unidad de tiempo de un fenómeno periódico, las unidades con las que se mide la frecuencia son los Hertz [Hz] y se representa con la letra . La ecuación que relaciona al periodo con la frecuencia es la siguiente:
La amplitud es la medida de la variación máxima del desplazamiento, en el caso del osciloscopio la amplitud representa el voltaje en la sección del circuito que midamos. Amplitud:
Inicialmente se procedió a calibrar el Osciloscopio de la forma en que se indicaba en la guía de laboratorio con el fin de que las mediciones fueran las esperadas. Se calibró el osciloscopio llevando el conector BNC a este y el conductor central del otro extremo al terminal CAL y el tercer extremo se conectó a tierra; verificando en la pantalla un valor pico-pico de 5 y un periodo de 1 . Luego de la etapa de calibración, se conectó el osciloscopio al generador de señales, el cual producía una señal de la cual se midió el Periodo, Amplitud, y Voltaje pico-pico que esta producía. 2. CIRCUITO RC CON OSCILOSCOPIO Esta parte del laboratorio se divide en 2, en las cuales analizamos primero un circuito RC en donde la resistencia tenida en cuenta es la resistencia interna del Generador de señales, montando el circuito de la figura 4.
FIGURA 3: Periodo y frecuencia de una señal
Tiempo Característico del Condensador: Este se expresa por la letra , tiene unidades de tiempo [s] y en un circuito
RC se calcula como el producto entre la resistencia equivalente vista por las placas del condensador y la capacitancia del condensador, como se muestra a continuación:
Es el tiempo que trascurre mientras el voltaje entre las placas del condensador se reduce a la mitad de su valor inicial ( ), el tiempo característico del condensador „Tao‟ y el tiempo medio se relacionan por la siguiente expresión: (3) Tiempo medio:
FIGURA 4: Circuito RC con osciloscopio (1° parte)
Posteriormente se analizó un circuito RC donde se añadió una resistencia más al circuito para analizarlo e identificar como ésta afectaba el comportamiento del mismo, para esto se montó el circuito de la figura 5.
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“CargayDesc0” ó “CargayDesc1”
FIGURA 6: circuito implementado para visualizar la carga y descarga del condensador. En la figura 4 el circuito consta de un condensador con valor de capacitancia de 0,1 y una señal cuadrada de 8 Vp, a una frecuencia de 1 kHz que permitirá la carga y descarga del condensador. en la figura 6 se pueden apreciar estos dos procesos con su respectiva escala de tiempo y de voltaje.
FIGURA 5: Circuito RC con osciloscopio (2° parte)
Para lograr un análisis completo de cada circuito, el condensador de ambos montajes y la resistencia añadida en el segundo montaje (figura 5) eran variables de tal forma que se pudieran apreciar más fácilmente el cambio que cada uno generaba en la respuesta del circuito.
FIGURA 6: Carga y descarga del condensador El valor de (tiempo medio) se aproximó a partir de la grafica dada por el osciloscopio (Figura 7), este parámetro se aproxima tomándolo, como la mitad del tiempo que se demora el condensador en descargarse a la mitad de su valor inicial. “Foto 3”.
IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS
MANEJO DEL OSCILOSCOPIO
FIGURA 7: descarga del condensador para calcular el valor de El valor de se aproximo para este circuito a un valor de 5 ; así se puede calcular el tiempo característico a partir de la ecuación 3, que relaciona el tiempo medio con el tiempo característico de la siguiente manera:
KRILIN: HAGA ESTA PARTE DEL ANÁLISIS CIRCUITO RC CON OSCILOSCOPIO (1° parte)
Por medio del osciloscopio se pretende visualizar, gráficamente los procesos de carga y descarga que ocurren en el condensador cuando se l e aplica un potencial eléctrico entre sus terminales, además encontrando su tiempo característico se hará posible encontrar la resistencia interna del instrumento que nos brinda tal potencial. En este caso se calculara también la resistencia interna del generador de señales que es el instrumento usado en la práctica. En la figura 6 se puede apreciar el circuito implementado para tal propósito, este consta únicamente del generador de señales en paralelo con un condensador y con el canal del osciloscopio.
De manera similar se llevo a cabo el mismo proceso para diferentes valores de capacitancia con el fin de encontrar el valor de R G (resistencia interna del generador de señales). El valor de R G puede ser encontrado a partir de la ecuación 2, de la siguiente manera:
R G A manera de ejemplo podemos sacar el valor de R G para nuestro primer experimento de la siguiente manera:
Los resultados de los respectivos para cada capacitancia se pueden ver en la tabla 1. TABLA 1
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[email protected] Resistencia experimental promedio
Capacitancia 0,1 0,3 0,5 0,8 1
tm 3,5 10 20 28 37
RG 50,4 48 57,6 50,4 53,28
94,26
2° tabla….
Determinacion experimental de la resistencia Resistencia teorica: 500 Ω Capacitancia (µF)
Tiempo medio (ms)
Resistencia (Ω)
1
0,38
495,3
0,8
0,3
488,1
0,6
0,24
524,1
0,4
0,15
488,1
0,2
0,08
524,1
Podemos comparar a partir de la salida del osciloscopio los cambios del tiempo medio a causa de la variación de la capacitancia, para este se puede ver la figura 8 , la cual corresponde al tiempo medio cuando se tiene una capacitancia de 1 .
Resistencia experimental promedio
Foto 4
4
503,94
V.CONCLUSIONES
FIGURA 8: para un valor de capacitancia de 1 Finalmente podemos decir que el valor aproximado de R G a partir del experimento es la media de los 5 valores de la resistencia obtenidos de la tabla 1; de esta manera: R G
V.BIBLIOGRAFIA
R G
CIRCUITO RC CON OSCILOSCOPIO (2° parte)
Determinacion experimental de la resistencia Resistencia teorica: 100 Ω Capacitancia (µF) Tiempo medio (µs) Resistencia (Ω) 1
95
84,9
0,8
86
102,9
0,6
60
92,1
0,4
40
92,1
0,2
21
99,3
Sears, Zemansky “Física universitaria”, Tomo II
Decimosegunda edición, Editorial Pearson, México 2009. “Física” Tomo R.A. Serway, II. 4ta Edición. Ed. MC. Graw-Hill (1997). URL: http://es.wikiversity.org/wiki/Circuito_RC URL: http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_em/ capacitores_bg.pdf