Date post: | 19-Jan-2016 |
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Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos
PRÁCTICA 1 A.‐ Instrumentación electrónica y componentes básicos
El objetivo de esta práctica es conocer la instrumentación empleada en el Laboratorio de Electrónica: el osciloscopio, el multímetro (voltímetro, amperímetro y óhmetro), el generador de señales y el entrenador (con conexiones para realizar circuitos, fuentes de alimentación, etc.).
Osciloscopio El osciloscopio es un instrumento de visualización gráfica que permite observar señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical representa el voltaje, mientras que el eje horizontal representa el tiempo. Se usa un sistema de sincronización por disparo (trigger), el cual marca el inicio del barrido horizontal y por tanto fija el punto donde comienza la representación de la señal y permite su estabilización en la pantalla.
Osciloscopio Multímetro
Generador
de señales
Entrenador
Disparo (trigger): Se usa para sincronizar la imagen (seleccionando el canal con el cual se
sincroniza y la tensión de partida)
Ajuste vertical de los 2 canales: Se usa para ajustar el rango y la posición en
el eje vertical (voltaje)
Base de tiempos Se usa para ajustar el
rango y la posición en el eje horizontal (tiempo)
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Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos
Selección de acoplamiento de la señal de entrada
El osciloscopio posee dos canales, por lo que será posible visualizar dos señales diferentes. Para ello, se conecta la sonda al punto cuya tensión se quiere representar, y la pinza (contacto de tierra) al punto que se quiera tomar como referencia de voltajes. IMPORTANTE: Los contactos de referencia de los dos canales están conectados entre sí, por lo que sólo será posible representar dos diferencias de tensión con respecto a un mismo punto. Los controles de ajuste horizontal y vertical nos permiten ajustar la visualización de los dos canales y realizar medidas
de frecuencia (f=1/T=/2) y amplitud de las señales, teniendo en cuenta los valores de Voltios/div y Tiempo/div seleccionados. Sin embargo, para que las medidas sean correctas hay que verificar siempre que los controles estén en posición de calibrado (tanto en el eje vertical como en el horizontal, el mando de rango variable debe estar colocado en CAL). Para averiguar en qué punto de la pantalla se sitúa nuestra referencia (V=0 V, que es diferente para cada canal) es necesario hacer uso del mando de acoplamiento de la señal de entrada, y colocarlo en posición GND (ground=tierra). Una vez colocada la referencia en una posición conocida (por medio del mando de desplazamiento vertical), la posición DC nos permitirá representar la señal completa, mientras que la posición AC eliminará su componente de continua (offset), haciendo que su valor medio sea nulo.
Referencias: Funcionamiento del osciloscopio (Universidad de Granada): http://www.youtube.com/watch?v=wVXOIwtkFZk
http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso03‐04/cce/practicas/manuales/osciloscopio/osciloscopio.htm
Referencia (tierra)
Sonda de medida de tensión
Periodo T (s) (nº de divisiones) x (Time/div)
Voltaje pico a pico (V) (nº de divisiones) x (Volts/div)
Time/div Volts/div (CH1)
Volts/div (CH2)
Selección de Visualización: CH1, CH2, Dual, Suma (CH1+CH2)
1 división
Calibrado Calibrado
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Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos
Multímetro
El multímetro es un instrumento de medición de valores medios (o eficaces en AC) de voltajes, corrientes o
resistencias.
Téngase en cuenta que las unidades del valor mostrado en el visualizador pueden variar dependiendo del
rango elegido (indicadas en el botón correspondiente).
Generador de Señales
El generador de señales es un instrumento que permite generar señales eléctricas variables en el tiempo
con diversas formas de onda, amplitud y frecuencia.
La sonda de salida, como la del osciloscopio, tiene también dos terminales, y ambos deben ser conectados
ya que estamos aplicando una diferencia de potencial entre ellos.
Selector de medida en AC/DC
Selector de medida de Resistencia/Corriente/Voltaje
Selector de rango de medida
Conexión para medidas de Resistencia y Voltaje
(en paralelo)
Conexión para medidas de Corriente (en serie)
Conexión para referencia (tierra)
Selector de rango de frecuencia
Ajuste fino de frecuencia
Ajuste de offset (valor DC superpuesto a la forma de onda)
Ajuste de Amplitud
Ajuste de asimetría de la señal
Selector de la forma de onda
Unidades del visualizador
Unidades del visualizador
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Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos
Entrenador
El entrenador es una combinación de instrumentos que nos permitirán montar y estudiar circuitos tanto
analógicos como digitales.
Fuentes de alimentación
Interruptores para generación de
entradas digitales
Resistencias variables
Resistencias variables
Generador de señales
LEDs para visualización de salidas digitales
Multímetros para las fuentes de alimentación variables
Multímetros para las fuentes de alimentación variables
Tablero de conexiones
Organización de las
conexiones
Conexiones Conexiones Conexiones
independientes Conexiones
independientes
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Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos
B.‐ Montaje de circuitos eléctricos con elementos pasivos
Generador conectado a un condensador
En continua un condensador no deja pasar la corriente, actúa como un circuito abierto (sólo pasa corriente
en transitorios de carga o descarga). Cuando se le aplica una señal alterna, el condensador se carga y se descarga
periódicamente.
Si la fuente del circuito es una tensión cosenoidal )cos()( max tt :
)2cos()2cos(sen maxmaxmax tItCtCdt
dVC
dt
dQI C
Vemos que la fase de I se adelanta en /2 a la fase de VC(t) ó (t). Sin embargo, el osciloscopio solo permite
medir tensiones (y con la misma referencia para los dos canales), por lo que para poder visualizar a la vez la
corriente y la tensión entre extremos del condensador es necesario realizar un montaje como el siguiente:
De esta forma, en el CH1 del osciloscopio podemos visualizar directamente VC, mientras que en el CH2 lo
que observamos es ‐VR(t)=‐I(t)∙R, que tiene la misma forma que I(t), pero invertida. Aprovecharemos la posibilidad
que tiene el osciloscopio de invertir el CH2 para poder observar el desfase de /2 entre I(t) y VC(t).
R=1K
C=10KpF
+
‐
+ ‐ VC
+
‐ VR=I∙R
Sonda del CH1 del
osciloscopio (VC)
Sonda del CH2 del
osciloscopio (‐VR)
Tierras del
osciloscopio
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Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos
En el caso que la tensión aplicada sean pulsos de la forma de la gráfica siguiente (elegir dicha forma de
onda en el generador de señales y ajustar adecuadamente la amplitud y el offset), el condensador se cargará y
descargará alternativamente:
Cuando la tensión aplicada sube bruscamente, la corriente I(t) también lo hace (ya que el condensador se
comporta como un cortocircuito) y tiene el valor de I=Vmax/R, y poco a poco esta corriente va disminuyendo
exponencialmente a medida que el condensador se va cargando hasta tener un valor nulo (el condensador no
conduce en DC). Por otro lado el voltaje en el condensador no varía instantáneamente y sube desde
exponencialmente 0 V hasta Vmax. Cuando la tensión aplicada desaparece bruscamente, este proceso se repite a la
inversa al descargarse el condensador.
Analíticamente se puede calcular la evolución de I(t) y VC(t) a partir de =I∙R+VC, condt
dVCI C , siendo
(0)=0 V y (∞)=Vmax, en el proceso de carga del condensador, y (0)=Vmax y (∞)=0 V en el de descarga. De esta
forma (y tomando como referencia t=0 el tiempo en que se produce el salto de tensión):
Carga: )/exp()( max tR
VtI )/exp(1)( max tVtVC
Descarga: )/exp()( max tR
VtI )/exp()( max tVtVC
(t)
I(t)
Vmax
t
t
Vmax/R
0,37Vmax/R
VC(t)
t
Vmax
0,63Vmax
0.37Vmax
‐0,37Vmax/R
‐Vmax/R
=RC
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Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos
siendo =RC el tiempo característico de evolución de la carga y descarga del condensador. Estimar en el
osciloscopio el valor de dicho tiempo sabiendo que para t= el valor de I(t) se convierte en el valor inicial dividido
por e=2.71828 (1/e=0.37).
Referencias: Carga y descarga de un condensador (Universidad del País Vasco):
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/rc/rc.htm
Generador conectado a una bobina
Al contrario que un condensador, una bobina deja pasar la corriente en continua, mientras que se opone a
sus variaciones rápidas.
Si la fuente del circuito es una tensión cosenoidal )cos()( max tt :
2cos2cossen cos11
maxmaxmax
0
max
0
tItL
tL
dttL
dtL
Itt
En este caso vemos que la fase de I se retrasa en /2 con respecto a la fase de (t). Dicho desfase lo
podremos observar utilizando el montaje anterior en el que cambiamos el condensador por la bobina.
R=1K
L=?
+
‐
+ ‐ VL
+
‐ VR=I∙R
Sonda del CH1 del
osciloscopio (VL)
Sonda del CH2 del
osciloscopio (‐VR)
Tierras del
osciloscopio
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Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos
En el caso que se apliquen pulsos de tensión, la bobina se opondrá a los cambios bruscos de corriente,
absorbiendo la tensión necesaria.
Para obtener analíticamente I(t) y VL(t) aplicamos que =I∙R+VL, con t
LdtVL
I0
1 , siendo (0)=0 V y
(∞)=Vmax, en el proceso de subida de la tensión aplicada, y (0)=Vmax y (∞)=0 V en el de bajada. Igual que antes,
tomando como referencia t=0 el tiempo en que se produce el salto de tensión obtenemos que:
Subida: )/exp(1)( max tR
VtI )/exp()( max tVtVL
Bajada: )/exp()( max tR
VtI )/exp()( max tVtVL
con =L/R el tiempo característico de la evolución de la corriente.
Estimar en el osciloscopio el valor de y obtener a partir de él el valor de L.
(t)
I(t)
Vmax
t
t
Vmax/R 0,63Vmax/R
VL(t)
t
Vmax
0.37Vmax
0,37Vmax/R
‐0.37Vmax
Vmax
=L/R
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Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos
Generador conectado a un circuito RLC serie
Se define la impedancia compleja del circuito RLC serie como:
1
1 , ,
CLjRZZZZ
CjjXZLjjXZRZ
CLR
CCLLR
Si mantenemos la amplitud de la señal del generador constante y variamos su frecuencia, la amplitud de
la corriente variará con la frecuencia ya que la impedancia del circuito depende de yZ
I
:
IdeFasedeFaseRC
L
CLRZ
eZZ
Z
j Z
1
arctan
1
2
De las fórmulas anteriores se puede ver claramente como hay un valor de la pulsación =0 para el que
se cumple que XL=XC, por lo que Z=R es mínima, la amplitud de la corriente es máxima, I=max/R y la corriente I(t) y
la tensión aplicada (t) están en fase. El valor de la frecuencia de resonancia es:
LCf
LC
2
1100
Verificar en el osciloscopio que para >0 se cumple que >0 ya que el circuito es inductivo, para <0,
<0 y el circuito es capacitivo y para =0, =0 y el circuito es resistivo.
Obtener el valor de f0 y a partir de ella calcular el valor de L.
C=10KpF
R=1K
Sonda del CH2 del
osciloscopio (VR)
Sonda del CH1 del
osciloscopio ()
Tierras del
osciloscopio
I
‐Q +Q