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Práctica número 1: Elementos eléctricos y mediciones electrónicas básica...

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LABORATORIO DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Práctica número 1: Elementos eléctricos y mediciones electrónicas básicas. Pre informe Laura Cecilia Zarate Mejia - 1729505, Victor Hugo Piarpusan - 1724785 Universidad del Valle, Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Ingeniería Electrónica, Cali, Colombia

Palabras claves: Osciloscopio Digital, Señales, Resistencias, Capacitores. I. INTRODUCCIÓN En este informe se representará el desfase de una señal sinusoidal producida por un circuito compuesto de condensadores y resistencias. Este desfase se podrá apreciar visualmente a través del uso de un osciloscopio digital. Se pretende explicar el fenómeno y presentar los dispositivos de medición o en su respectivo caso simulación utilizados para poder apreciar este fenómeno. II. MARCO TEÓRICO

Resistencias no lineales; estas dependen de magnitudes físicas: ● Presión ● Fotorresistencias-LDR ● Termistores (NTC y PTC) ● de voltaje, Varistores ● de campo magnético Las Resistencias tienen un valor normalizado y se identifican por un código de colores. La tolerancia es un dato que indica qué tanta variación puede haber del valor registrado en ella, puede haber una variación hacia arriba o hacia abajo.

Las resistencias son un tipo de dispositivo electrónico de tipo pasivo. Su objetivo es producir una caída en la tensión que pasa a través de ella. Idealmente su valor permanece constante en el tiempo, aunque en la vida real, el valor de esta puede cambiar por la temperatura, la corriente y la tensión. Se pueden clasificar como : Lineales y no lineales. Las lineales son de 2 tipos : valor fijo o valor variable. Las de valor fijo tienen diferentes composiciones: ● Hilo Bobinado ● Carbón prensado ● película de carbón ● Película de óxido metálico ● Película metálica ● Metal vidriado Entre las de valor fijo se encuentran los: Resistores variable, potenciómetros y reóstatos

Tabla 1. Código de colores para las resistencias. Condensadores componentes electrónicos que tienen la capacidad de almacenar cargas eléctricas y entregarlas en un tiempo muy corto. Se utilizan para filtrar corrientes, en circuitos osciladores, temporizadores, entre otros. Estos se comportan como un circuito abierto cuando se le aplica DC, y como un circuito cerrado cuando se le aplica AC, que permite el paso en un solo sentido, esto específicamente se emplea para filtrar AC. Existen 3 tipos de condensadores:

● ● ●

Fijos. Variables. Ajustables.

Los condensadores fijos se clasifican en función del material del dieléctrico al interior así: ● De papel (capas de papel y papel aluminio) ● Plástico (capas de poliestireno y papel aluminio) ● Poliéster metalizado ● Mica (laminas de mica y hojas de cobre) ● Vidrio ● Cerámicos (silicatos con óxidos metálicos) ● Electrolíticos. de aluminio o de tántalo. Los condensadores se pueden identificar a través de bandas coloreadas o puntos de color. Estas varían, La primera franja no siempre es la primera cifra, a veces puede indicar la tolerancia, pero la tendencia mundial en fabricación es la indicación de los valores de forma impresa y se hace referencia a la unidad de picofaradios.

Figura 1. Código de colores para condensadores. La tensión es una característica notable a remarcar en los condensadores, las más significativas son: La tensión de prueba, tensión de trabajo y tensión de pico.

Tabla 2. Datos característicos de los condensadores Los instrumentos de medida dependen de la magnitud y la cantidad a medir, estos instrumentos se valoran por una serie de características de la siguiente manera. ● Cota inferior, corresponde al valor mínimo en capacidad de medir. ● Cota superior, corresponde al valor máximo que el equipo puede llegar a medir. ● Sensibilidad, Es la que corresponde a cada uno de los alcances y está dado por el dígito menos significativo. ● Exactitud, Capacidad del instrumento para dar el valor verdadero de la medida, está estrechamente relacionado con la calidad de este. ● Fiabilidad, Es la capacidad del instrumento para repetir el mismo valor siempre que se mida la misma cantidad ● Resolución, N° adimensional que expresa la mínima variación que puede detectar el instrumento. Los instrumentos digitales de medición toman la medida analógica continua y la discretizan, hacen un muestreo cada intervalo de tiempo determinado. Es difícil determinar la fuente de error que producen la inexactitud de los instrumentos digitales, este dato lo

da el fabricante teniendo en cuenta las condiciones de trabajo. Algunas especificaciones de exactitud se representan con las siguientes ecuaciones:

Ecuación 1. Especificación de exactitud. Cuando en las especificaciones se refiere a un dígito, se entiende que es la última cifra significativa que muestra el display, de acuerdo al rango configurado. Por ejemplo, si un display de 4 ½ dígitos (es decir, que como máximo puede indicar 19999) se encuentra configurado en el rango de 20V (es decir, como máximo indicará la tensión 19.999 V), entonces el “dígito” al que hace mención las especificaciones refieren a 0.001 V, es decir, 1 mV. Osciloscopio Es un dispositivo que permite la visualización gráfica de señales eléctricas variables en el tiempo. En el eje vertical Y se representa el voltaje y en el eje horizontal X se representa el tiempo. Con un osciloscopio se puede determinar el periodo y voltaje de una señal de forma directa, también de forma indirecta. Se puede determinar que parte de la señal es DC y cual AC, puede ayudar a localizar averías en un circuito, mide la fase entre 2 señales y determina qué parte de la señal es ruido y como esta varía en el tiempo. Existen 2 tipos de osciloscopios: Los analógicos están compuestos por un tubo de rayos catódicos. Los digitales. Constan de una pantalla LCD con diferentes funcionalidades que permiten una medición más correcta y precisa. ● Amplificador de la señal vertical, aumenta la valor de la señal a través de un transistor ● Amplificador de señal horizontal, ● Base de tiempos, muestra en la pantalla la tensión que se está tomando en tiempo real (en el eje vertical y horizontal) ● Seguidor catódico

●

Sistema de sincronismo, aporta calidad y forma a la imagen.

Un osciloscopio de 2 canales puede tener los siguientes mandos. ● Interruptor. ● Intensidad. ● Focalizador. ● Rotación de la traza horizontal. ● Hold Off (tiempo entre barridos). ● Led indicador de trigger. ● Trigger para señales de vídeo (en operaciones normales debe estar en OFF). ● Selector de trigger (disparo). Se seleccionará en función de la frecuencia de la señal a medir, AC es el modo más frecuentemente usado (10Hz y 20MHz). ● Selecciona si la señal se inicia con tensiones positivas (+) o negativas (-). ● Base de tiempos. Regula la escala de tiempos o del eje horizontal. ● Control variable de la base de tiempos. ● Con el botón pulsado se selecciona una señal externa de trigger (señal de disparo con el que se inicia el barrido horizontal). ● Conector BNC para la señal externa de trigger. ● Trigger automático: la traza es visible sin señal de entrada. Trigger normal: permite ajustar el nivel de disparo con el mando. ● Ajusta el nivel de trigger si este está apretado. ● Aumenta la escala X en una relación 10:1. ● Calibrador. Dos ondas cuadradas de 0,2 y 2 Vpp se visualizan al conectar directamente. ● Sirve para realizar tests de componentes electrónicos. Los dos terminales del componente (R,L,C, diodo, transistor) se conectan a los jacks .(No debe haber nada más conectado al osciloscopio). ● Posición vertical del canal I. ● Invierte la señal del canal I. ● Conector de entrada de señal al canal I. ● Conector separado de tierra. ● Selección según se trabaje en corriente alterna (AC) o continua (DC) en el canal I. La posición GD conecta el canal I a tierra permitiendo el ajuste del cero. ● Selector de escala en V/div del canal I.

Ganancia variable. Con el botón hacia fuera el trigger o señal de disparo afecta a la señal del canal I y si está presionado hacia dentro el trigger afecta a la señal del canal II. ● Dual. Representa las señales de ambos canales simultáneamente. ● ADD, pulsada: Suma de los canales I y II. ● Selector de escala en V/div del canal II. ● Ganancia variable. ● Igual que 25 para el canal II. ● Conector separado de tierra. ● Conector de entrada de señal al canal II. ● Invierte la señal del canal II. ● Posición vertical del canal II. El sistema de disparo es importante en un osciloscopio digital puesto que permite sincronizar las capturas de la señal y estabilizar la imagen para poder analizarla. ● ●

La regla clave en un osciloscopio es la integridad de la señal puesto que esta afecta todas las medidas del osciloscopio, estos están sujetos a distorsión, ruidos y pérdidas. Una buena calidad de señal de un osciloscopio se determina al evaluar los bits del conversor de analógico a digital (ADC). La escala vertical, el ruido, la frecuencia y la respuesta de fase, el número efectivo de bits y el jitter intrínseco( desviación de la posición horizontal ideal). Es difícil determinar la fuente de error que produce la inexactitud, este dato lo da el fabricante teniendo en cuenta las condiciones de trabajo. Los instrumentos digitales de medición toman la medida analógica continua y la discretizan, hacen un muestreo cada intervalo de tiempo determinado. La exactitud se define como la proximidad que existe entre el valor medido al valor real. La precisión se define como la dispersión de valores obtenidos de mediciones repetidas de manera que entre menor sea la dispersión de los valores se tendrá una mayor precisión. Incertidumbre, se refiere al grado de alejamiento entre los datos o las diversas aproximaciones a un valor verdadero.

Ya que toda medición va acompañada de cierto grado de incertidumbre o error, ya sea por el instrumento o por la persona, el del instrumento no se puede evitar y es necesario evaluar aquel grado de error. Error absoluto εa es la diferencia entre el valor real de la medida ( X ) y el valor que se obtuvo en la medición (Xi). εa = X − X i Ecuación 2. Error absoluto Imprecisión absoluta es la medida de los errores absolutos tomados con signos positivos n

Ea =

∑ |X−X i |

i=1

n

Ecuación 3. Imprecisión absoluto Error relativo es el cociente entre el error absoluto y el valor que se quede considerado como exacto o la media ε εr = Xa Ecuación 4. Error relativo En el trabajo experimental cuando se hace una medida  esta conlleva siempre un error ya que los instrumentos con los que se trabaja tiene una precisión limitada. Este error se puede expresar como el intervalo donde se tiene la certeza que está el valor de la medida (x ± ∆x) o como el porcentaje de error que tiene la medida (x; εx = a %) que resulta de dividir ∆x entre x. Estos errores se denominan, respectivamente, error absoluto y error relativo y es importante remarcar que el primero tiene unidades, mientras que el segundo no. Cuando se trabaja matemáticamente con datos que tienen una incertidumbre, los errores de medida se transforman en función de la operación que se les aplica. Esto se denomina propagación de errores. (Gonzalez, n.d.)

III. OBJETIVOS Esta práctica tiene como objetivo entender las funcionalidades, capacidades, límites, restricciones, recomendaciones y demás, que tienen elementos de medición tales como el osciloscopio, o el multímetro, cuando se quieren usar para tomar datos necesarios

para el análisis de un circuito. Del mismo modo, se busca entender y reflexionar sobre el funcionamiento y comportamiento de elementos usados en la práctica, como resistencias, condensadores y el generador de señales, de manera que se pueda dar una interpretación a la teoría más acertada y cercana a la realidad.

V. RESULTADOS Y ANÁLISIS Se seleccionó un circuito RC que posee una fuente sinusoidal, con amplitud de 50 Volts y una frecuencia de 60 Hz, dicha fuente estaba conectada a una resistencia de 300Ω en serie con un capacitor de 50 micro farads el diseño esquemático del circuito se puede observar en la siguiente figura 2.

IV. MATERIALES Y MÉTODOS Para llevar a cabo la práctica, implementó el sistema sugerido en la guía de trabajo, mediante simulaciones en el programa LTspice XVII, a través de este se representan esquemáticamente el (los) circuitos a trabajar, en este caso, un circuito RC, que en un inicio puede parecer simple pero de bastante utilidad al momento de la toma de datos y eficacia al comparar y observar los ángulos de desfase. Figura 2. Circuito RC número 1.

Se harán varias simulaciones de dicho circuito y se variarán los valores de los elementos que se van a usar: resistencias, condensadores y una fuente de voltaje (simulados).

se procedió a realizar un barrido transiente registrado en la figura 3, en donde se puede apreciar las señales del voltaje en la fuente y voltaje en el capacitor, proporcionada por el programa. .

Utilizando las herramientas de análisis y observación del programa LT Spice se harán las mediciones y se añadirán imágenes de cómo se verían reflejadas todas las señales del circuito RC en un osciloscopio para su posterior estudio.

Figura 3. Simulación de osciloscopio, representación de señales de voltaje de la fuente y voltaje en el capacitor. .

Utilizando la herramienta cursor, se ubicaron ambos cursores en el pico de la onda producida por la fuente con el propósito de hallar el periodo.

Figura 4. Datos obtenidos con los cursores de la simulación en LT Spice.

De la figura 4 se puede observar que el Periodo que presenta la onda es 16.668ms, este valor es importante para posteriormente poder averiguar el ángulo de desfase. Posteriormente se procedió a hallar el Δt utilizando igualmente la herramienta cursor en el gráfico de ondas tal como se puede apreciar en la figura 5.

Φ=

Δt×360 T

Ecuación 5. Cálculo del ángulo de fase.

El desfase producido en el voltaje producido entre la fuente y el capacitor es de 80.7281°

Figura 5. Simulación de osciloscopio, representación de señales de voltaje de la fuente y voltaje en el capacitor, ubicación de cursores para la toma de datos.

Se ubicaron ambos cursores en diferentes ondas, en lo posible en el mismo valor de V, esto se vió sesgado gracias a que la herramienta no permitió un valor exacto de posicionamiento. El desfase entre el voltaje de la fuente y el voltaje del capacitor es de 79.972° Error absoluto

Error relativo

Error relativo porcentual Figura 6. Datos obtenidos con los cursores de la simulación en LT Spice.

En la figura 6 se puede apreciar que donde marca la diferencia entre valores (Cursor 2-Cursor 1) que el Δt es 3.7404ms. Para calcular el ángulo de desfase se utiliza la ecuación (5), esta ecuación se utilizará en cada uno de los circuitos posteriores para obtener el ángulo de desfase en todos los circuitos y de esa manera realizar una tabla de contraste la cual ayuda a inferir de manera más rápida cuáles parámetros afectan en mayor medida.

Ahora se van a cambiar valores de los elementos utilizados y repetiremos el procedimiento: Ahora seleccionamos un circuito RC que posee una fuente sinusoidal, de amplitud de 250 Volts y una frecuencia de 1 kilo-hertz, dicha fuente estaba conectada a una resistencia de 1KΩ en serie con un capacitor de 300 nanofarads el diseño esquemático del circuito se puede observar en la siguiente figura:

verde), el cuál nos será útil para calcular el angulo de desfase; podemos observar que el periodo del voltaje en la resistencia es de 994.82 micro segundos (µs).

Figura 7. Esquema circuito RC número 2.

El siguiente paso será configurar dos cursores, esta vez ya no solo para la gráfica del voltaje (verde) sino también le asignaremos un cursor a la gráfica de voltaje del capacitor (color roja) y los posicionamos de tal modo que ambos cursores estén lo más cercanos posible en el eje de las X, y que en el eje de las Y ambos coincidan en 0V, como se muestra a continuación:

De dicho esquema del circuito se obtiene la siguiente figura, que muestra las señales sinusoidales de voltaje tanto en la resistencia como en el capacitor.

Figura 10. Simulación de osciloscopio, representación de señales de voltaje de la fuente y voltaje en el capacitor, ubicación de cursores para la toma de datos.

Figura 8. Simulación de osciloscopio, representación de señales de voltaje de la fuente y voltaje en el capacitor.

Con los cursores ya posicionados como se mencionó anteriormente, obtenemos los siguientes datos:

Posicionamos los cursores del simulador LT Spice en dos de los puntos máximos más próximos en la gráfica del voltaje de la fuente (azul) con el objetivo de obtener los siguientes datos:

Figura 11. Datos obtenidos con los cursores de la simulación en LT Spice.

De las figuras 10 y 11 podemos obtener el Δt entre las dos gráficas, y entonces utilizamos la ecuación (5) para calcular el ángulo de desfase Φ: Figura 9. Datos obtenidos con los cursores de la simulación en LT Spice.

De las figuras 8 y 9, y por como están puestos los cursores del osciloscopio simulado, podemos obtener el periodo T del voltaje (grafica sinusoidal de color

Φ=

171.93×10−6 s×360 −6 994.82×10 s

= 62.21°

Posteriormente se procedió a calcular de forma teórica este mismo fenómeno

Figura 12. Esquema circuito RC número 3.

El desfase entre el voltaje de la fuente y el voltaje del capacitor es de 62,05°

De dicho esquema del circuito se obtiene la siguiente figura, que muestra las señales sinusoidales de voltaje tanto en la resistencia como en el capacitor.

➔ Ahora obtenemos el error absoluto:

εa = |62.05° − 62.21°| = 0.16 ➔ Error relativo:

εr =

0.16 62.05

= 0.002578 Figura 13. Simulación de osciloscopio, representación de señales de voltaje de la fuente y voltaje en el capacitor.

➔ Error relativo porcentual:

εr = 0.257856% Ahora se cambian nuevamente los valores de los elementos utilizados y repetiremos el procedimiento:

Posicionamos los cursores del simulador LT Spice en dos de los puntos máximos más próximos en la gráfica del voltaje de la fuente (azul) con el objetivo de obtener los siguientes datos:

Ahora seleccionamos un circuito RC que posee una fuente sinusoidal, de amplitud de 500 Volts y una frecuencia de 250 HZ, dicha fuente estaba conectada a una resistencia de 1KΩ en serie con un capacitor de 300 nanofarads el diseño esquemático del circuito se puede observar en la siguiente figura:

Figura 14. Datos obtenidos con los cursores de la simulación en LT Spice.

De las figuras 13 y 14, y por como están puestos los cursores del osciloscopio simulado, podemos obtener

el periodo T del voltaje (grafica sinusoidal de color verde), el cuál nos será útil para calcular el angulo de desfase; podemos observar que el periodo del voltaje en la resistencia es de 4.01 mili segundos (ms). El siguiente paso será configurar dos cursores, esta vez ya no solo para la gráfica del voltaje (verde) sino también le asignaremos un cursor a la gráfica de voltaje del capacitor (color roja) y los posicionamos de tal modo que ambos cursores estén lo más cercanos posible en el eje de las X, y que en el eje de las Y ambos coincidan en 0V, como se muestra a continuación: El desfase entre el voltaje de la fuente y el voltaje del capacitor es de 25,23° ➔ Ahora obtenemos el error absoluto:

εa = |25, 23° − 24.70°| = 0.53 ➔ Error relativo: Figura 15. Simulación de osciloscopio, representación de señales de voltaje de la fuente y voltaje en el capacitor, ubicación de cursores para la toma de datos.

Con los cursores ya posicionados como se mencionó anteriormente, obtenemos los siguientes datos:

Figura 16. Datos obtenidos con los cursores de la simulación en LT Spice.

De las figura...