Practica 2 - El Potenciometro PDF

Preview

Summary

Sensores...

Description

Práctica

2 PREÁMBULO AL TALLER DE APRENDIZAJE Asignatura Sensores y Actuadores

El Potenciómetro

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Manual de Prácticas para Sensores y Actuadores 12345 Av. Universidad s/n • Ciudad Universitaria San Nicolás de los Garza, Nuevo León, C.P. 66451 Tel. (81) 8329-4020 • Fax (81) 8332-0904 Correo: [email protected]

2

Tabla de contenido Introducción...................................................................................................................... 3 Objetivo General............................................................................................................ 4 Objetivo Particular....................................................................................................... 4 Marco Teórico................................................................................................................... 4 Planteamiento del Problema................................................................................ 9 Desarrollo de la práctica......................................................................................... 9 Resultados....................................................................................................................... 10 Conclusiones.................................................................................................................. 11 Problemas Propuestos............................................................................................ 11 Problema 1.............................................................................................................................. 12 Problema 2.............................................................................................................................. 15

Introducción “Trabajo pesado es, por lo general, la acumulación de tareas livianas que no se hicieron a tiempo” Anónimo

E

l resistor es un componente eléctrico, de los más importantes en el mundo de la electrónica, es el concepto base de toda una gama de interacciones con circuitos eléctricos.

Objetivo El resistor tiene el funcionamiento de ocasionar una oposición al flujo de corriente que es generado por la ley de ohm. La ley de Ohm nos indica lo siguiente V V =IR ; I = R Dónde: Ec. (1) V= voltaje (Volts) I= Corriente (Ampere) R=Resistencia (Ohms; Ω) Si observamos a detalle la fórmula de la ley de Ohm ¿Qué ocurriría si el valor de la resistencia total en un circuito eléctrico resultara ser 0,

3

no existir una resistencia en tal? La respuesta es sencilla, la corriente tomara un valor infinito, algo no deseado en un circuito. El potenciómetro monovuelta es un componente basado en el resistor, la función es la siguiente: Consta de limitar el paso de la corriente eléctrica a través de un circuito el cual es provocado por la caída de tensión en ellos, solo que el potenciómetro consta de un privilegio el cual no posee el resistor, el variar su valor resistivo, donde la rotación mecánica que provoca el desplazamiento del cursor en la totalidad del elemento resistivo es inferior o igual a 360º. Además un potenciómetro colocado en paralelo con alguna resistencia cumple con la función de variación de voltaje.

Objetivo General El estudiante ampliará sus conocimientos con los principios básicos del potenciómetro, sus principales tipos, características y aplicaciones. Además deberá describir el comportamiento de un potenciómetro rotacional, la relación entre su desplazamiento angular y el voltaje de salida mediante una gráfica. De este modo se familiarizará con el equipo proporcionado en el laboratorio montando el material a utilizar en el hardware NI Elvis y realizando un código en el software NI LabVIEW el cual tendrá una interfaz con el anterior.

Objetivo Particular El estudiante pedirá en el laboratorio el material a utilizar, hará las conexiones pertinentes en el equipo, seguirá las instrucciones escritas para evitar errores en las conexiones y se dedicará a realizar su práctica tomando los datos necesarios y evidencias para su reporte.

Marco Teórico Un potenciómetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. Este desplazamiento se convierte en una diferencia de potencial. Los potenciómetros limitan el paso de la corriente eléctrica (Intensidad) provocando una caída de tensión en ellos al igual que en una resistencia, pero en este caso el valor de la corriente y la tensión en el potenciómetro las podemos variar solo con cambiar el

4

valor de su resistencia. En una resistencia fija estos valores serían siempre los mismos. El valor de un potenciómetro viene expresado en ohmios (símbolo Ω) como las resistencias, y el valor del potenciómetro siempre es la resistencia máxima que puede llegar a tener. El mínimo lógicamente es cero. Por ejemplo un potenciómetro de 10K Ω puede tener una resistencia con valores entre 0 Ω y 10.000Ω.

“FIGURA 2.1 El potenciómetro básico” Fíjate que la resistencia es el hilo conductor enrollado. Tenemos 3 terminales A, B y C. Si conectáramos las terminales A y B al circuito sería una resistencia fija del valor igual al máximo de la resistencia que podría tener el reóstato. Ahora bien si conectamos los terminales A y C el valor de la resistencia dependería de la posición donde estuviera el terminal C, que se puede mover hacia un lado o el otro. Hemos conseguido un Potenciómetro, ya que es una resistencia variable. Este potenciómetro es variable mecánicamente, ya que para que varía la resistencia lo hacemos manualmente, moviendo el terminal C. Este tipo de potenciómetros se llaman reóstatos, suelen tener resistencias grandes y se suelen utilizar en circuitos eléctricos por los que circula mucha intensidad. Se suelen llamar potenciómetros lineales o deslizantes por que cambian su valor deslizando por una línea la patilla C. Veamos cómo son en realidad Existen muchos tipos de potenciómetros:

“FIGURA 2.2 El potenciómetro lineal” El mismo mecanismo, pero más pequeño, tendrían los potenciómetros rotatorios para electrónica. Se usan en circuitos de pequeñas corrientes. Veamos como son.

5

“FIGURA 2.3 El potenciómetro rotatorio” Si nos fijamos tienen 3 patillas como el anterior. Para conectarlo debemos conectar al circuito las patillas A y B o la C y B, es decir la del medio siempre con una de los extremos y así conseguiremos que sea variable. Tienen una rosca que puede variarse con un destornillador, como es el caso del de color negro, o puede tener un saliente que gira con la mano para variar la resistencia del potenciómetro al valor que queramos. Estos potenciómetros también se llaman rotatorios. El potenciómetro rotacional o giratorio está formado por una pista o canal circular con devanado de alambre o por una capa de plástico conductor; sobre la pista rota un contacto deslizante giratorio. Si tenemos un voltaje de entrada constante entre las terminales 1 y 3, el voltaje de salida o V entre las terminales 2 y 3 es una fracción del voltaje de entrada. Esta fracción depende de la relación de resistencia 2 - 3 R comparada con la resistencia total o 1 - 3 R. El símbolo de un potenciómetro mecánico en un circuito eléctrico es el siguiente:

“FIGURA 2.3 Símbolo del potenciómetro mecánico” Vemos que es como el de una resistencia pero con una flecha que lo atraviesa y que significa variabilidad (que varía). Podemos usar cualquiera de los dos. Si la resistencia de la pista por unidad de longitud es constante, entonces la salida es proporcional al ángulo a lo largo del cual gira el deslizador. En este caso un desplazamiento angular se puede convertir en una diferencia de potencial. Vo R 23 = Vs R 13 Ec. (2)

6

Podemos suponer que la resistencia cambia uniformemente a lo largo del desplazamiento, dicha suposición será tomada para encontrar una constante en el potenciómetro, sin embargo esta suposición es falsa pues la linealidad del potenciómetro está acotada. Si definimos un potenciómetro como 2 resistencias variables (R 12 y R23) las cuales obedecen la siguiente ecuación: R 12 + R23 =Rt, donde Rt es la resistencia total del potenciómetro, tendríamos un diagrama como el de la figura siguiente.

“FIGURA 2.4 Diagrama de conexión del potenciómetro” En un circuito en serie, la corriente que viaja en todo el circuito permanece constante y se puede determinar por la ley de Ohm. Vf Rt Donde: I=Corriente Vf=Voltaje suministrado por la fuente Rt=Resistencia total en el circuito I=

Ec. (3)

El voltaje medido entre las terminales 2 y 3 del Potenciómetro se puede calcular mediante la siguiente ecuación: V 23=I R 23

Ec. (4)

Y al sustituir las ecuaciones obtendremos lo siguiente V 23=

( VfRt ) R 23 Ec. (5)

7

Ya que R23 es variable y suponiendo que este varía linealmente respecto al desplazamiento angular del cursor podemos decir que la resistencia entre las terminales 2 y 3 en función del ángulo desplazado sería: R 23(Ө )=

Ө Rt ф

Donde: Ө = el ángulo desplazado Ф = El desplazamiento angular máximo del potenciómetro Rt= La resistencia total del potenciómetro

Ec. (6)

Podemos llamar constante angular del potenciómetro a la razón de la Rt en el Ф para un determinado potenciómetro. Rt =K ф Ec.(7) Entonces la diferencia de voltaje entre las terminales 2 y 3 puede ser calculada por la siguiente ecuación: V 23=

Vf Ө ф Ec. (8)

La diferencia entre el comportamiento esperado y el obtenido se denomina conformidad. Los modelos disponibles comercialmente incluyen aquellos que admitan un movimiento circular de una o mas vueltas en el caso de los helicoidales y en varios de estos modelos la salida en función del desplazamiento tiene un comportamiento no lineal. Incluso puede ser una función senoidal del ángulo de giro del cursor.

8

Planteamiento del Problema Ahora es necesario ver de manera práctica el funcionamiento del potenciómetro para fortalecer los conocimientos recién adquiridos. Con el material necesario se realizaran las conexiones en la NI ELVIS y observaremos el cambio que se presenta del voltaje, por medio de los instrumentos de medición del software del NI ELVIS.

Desarrollo de la práctica 1. Medir la resistencia total real del potenciómetro, la cual puede ser medida conectando un óhmetro entre las terminales de los extremos, o puede ser leída en la serigrafía del potenciómetro. 2. Montar el potenciómetro en la base de madera y a través del transportador para poder medir su desplazamiento angular. 3. Medir el voltaje real que suministrara la fuente de voltaje. 4. Calibrar el multímetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente; a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS. b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior izquierda del protoboard del NI ELVIS. c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS. d. Seleccionar el módulo de Digital Multimeter. e. Presionar el botón de NULL. f. Retirar el cableado de los puertos Voltage HI y Voltage LOW. g. Apagar el NI ELVIS. 5. Conectar el potenciómetro como la siguiente figura 2.5.

IMAGEN

9

“FIGURA 2.5 Conexiones del potenciómetro” 6. Una vez conectado correctamente, encender el NI ELVIS. 7. Inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS y seleccionar el módulo de DMM. 8. Girar el potenciómetro hasta que la perilla apunte a los 0 grados. 9. Girar la perilla del potenciómetro y tomar mediciones de su desplazamiento angular y el voltaje de salida medidos. Se recomienda utilizar la fuente de 5v del NI ELVIS y medir los datos cada 10° de desplazamiento angular 10. Hacer una gráfica del desplazamiento angular contra el voltaje medido en la salida.

Resultados Las magnitudes de voltaje obtenido, efecto de la variación en el ángulo de giro del potenciómetro, se tabularán en la siguiente tabla (con mediciones de 0 a 270) y al final procederás a graficar los resultados para una mas sencilla visualización de los datos. Angulo (Grados) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Voltaje (Voltios)

10

210 220 230 240 250 260 270 “Tabla 2.1 Ejemplo de la tabla”

Magnitudes del Voltaje 12

10

8

6

4

2

0

0

2

4

6

8

10

12

“Gráfica 2.1 Ejemplo de la gráfica”

Conclusiones [Descripción en 2 renglones de qué se aprendió en la práctica y/o los beneficios de la tecnología utilizada.]

Problemas Propuestos Con el objetivo de que el estudiante se familiarice con el software de los laboratorios y que sepa cómo manipular los datos que pueda adquirir, además de utilizar el software LabVIEW, propone que realice los siguientes ejercicios para su aprendizaje.

11

1- Hacer un programa en LabVIEW que nos permita asociar el voltaje medido, con el desplazamiento angular del potenciómetro. 2- Hacer un programa en LabVIEW que nos permita asociar el llenado de un tanque, con el desplazamiento angular del potenciómetro. 3- Que realice una auto-alimentación explicando los comandos utilizados en los problemas 1 y 2, para que vaya conociendo las aplicaciones de estos.

Problema 1 LabVIEW es una herramienta gráfica de prueba, control y diseño mediante la programación. El lenguaje utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por National Instruments en 1976. Los programas hechos con LabView se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de uno de sus usos: el control de instrumentos. Utilizaremos el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potenciómetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada. Modelo matemático de un potenciómetro. La parte eléctrica del potenciómetro está dada por la ecuación V =iRT despejando, la i=V / RT parte mecánica se da por: Ri =

θ n

Dónde:  θ Es el ángulo que gira la perilla del potenciómetro  N es igual al número de vueltas  Si se combinan las partes mecánicas y eléctricas se obtiene lo siguiente: V =i R V i=V / RT V ∗θ V i(θ)= R T ∗n 

Sustituyendo por una constante k:

k =V / n R T V i( θ ) =kθ

12

En esta práctica se colocara el potenciómetro de la misma manera que lo hicimos en la práctica #2, pero ahora en lugar de medir el voltaje regulado con un vólmetro, se hará mediante una tarjeta DAQ. La tarjeta DAQ de esta práctica será el NI ELVIS y este se conecta a la PC, para luego poder manipular esa información con el software LabVIEW y obtener un programa como el de a continuación.

1. Colocar el potenciómetro de tal manera que los conectores estén del lado izquierdo, cerca de la fuente de voltaje del NI ELVIS. 2. Abrir el documento Prac2.VI. 3. Sin prender el NI ELVIS, conectar el cable rojo inferior a la salida de voltaje de 5 Volts, el cable negro inferior a la conexión de tierra (Gnd). 4. El voltaje de salida del potenciómetro será medido por medio del DMM (Multímetro Digital) del NI ELVIS. (Más información en práctica #1).

IMAGEN “FIGURA 2.6 ” 5. Acomodar los iconos del archivo de forma que se puedan realizar fácilmente las conexiones mostradas en la fig. 2.7, se debe tener en cuenta que hay que añadir ciertos valores constantes a funciones como WAIT, comparador MAYOR QUE y voltaje variable. Bloque WAIT Bloque MAYOR QUE

6. Realizar conexiones virtuales Como podemos ver en la fig. 2.7 tenemos 3 diferentes estados de programación 

El primer paso es para inicializar los instrumentos que utilizaremos. Este paso esta agrupado a la izquierda del ciclo WHILE.



En el segundo paso se encuentra el propio ciclo WHILE, dentro del cual se realiza una rutina de medición del voltaje en el potenciómetro hasta que oprimamos el botón de paro u ocurra un error en el VI, se recomienda ponerle un valor de 500 ms de espera a la función WAIT.

13



Por ultimo en el tercer paso, después del ciclo WHILE, se encuentran los procesos para cerrar los instrumentos utilizados.

7. Dentro del ciclo WHILE, el sub programa DMM READ mide el voltaje registrado en la salida del potenciómetro, luego este valor entra un nodo de fórmula, el cual a través de la formula mostrada en el marco teórico calcula el desplazamiento angular teórico en el potenciómetro. Este valor es enviado al indicador angular, luego este mismo valor es comparado dentro de un sub ciclo, donde si este valor es mayor a un valor crítico el LED deberá encender. El ciclo WHILE termina cuando el botón de paro es oprimido. Bloque DMM READ

“FIGURA 2.7 Diagrama de programación” 8. Determinar por medio de constantes (int) el tiempo de espera dentro del ciclo, la fórmula utilizada en el nodo de formula (dar doble clic sobre el icono del sub programa) y el valor crítico donde el LED deberá encender. 9. Diseñar el panel frontal de manera que podamos ver la posición angular teórica, el voltaje crítico en el cual debe prender el LED, y el botón de paro (stop).

14

“FIGURA 2.8 Ejemplo de panel frontal y los diferentes tipos de medidores” 10. Considerar el rango de giro del potenciómetro, el rango efectivo donde su comportamiento es lineal, el voltaje real de la fuente y el voltaje máximo permitido por la DAQ. 11. Tabular los resultados del ejercicio y comparar los datos obtenidos con los que obtuvieron en la práctica #2

Problema 2 Suponiendo que el potenciómetro fuera una llave de paso para el llenado de un tanque de agua, se controlará la cantidad de agua que posea el tanque y por medio de 3 LED’s se nos informará del nivel que contenga. En este ejercicio solo se utilizara le Software LabVIEW, donde desarrollaremos el programa VI y por medio de Front Panel podremos observar el resultado. 1- Diseñar un programa en LabVIEW que muestre el tanque y el nivel de agua que tendría después de determinado tiempo si se llenara con la llave de paso en esa posición, y que contenga 3 LEDs que indiquen el nivel del agua; bajo, medio, alto. 2-Realizar conexiones virtuales Con base a la figura 2.9 busque los componentes necesarios. 

Realizar las conexiones mostradas en la figura



Declarar las constantes para los comparadores (se pueden usar valores diferentes, siempre y cuando respete la lógica que se busca en el ejercicio)

15



Cerrar el programa dentro de un While Loop, para que este constan en ejecución.

“FIGURA 2.9 Diagrama de programación” 3- Diseñar el panel frontal para poder ajustar el potenciómetro y así lograr apreciar el nivel de agua dentro del tanque y los valores requeridos para encender los LED’s

“FIGURA 2.10 Ejemplo de panel frontal”

16...