Guia de Laboratorio - Circuitos Electricos I

 

Universidad Privada Boliviana Facultad de Ingeniería y Arquitectura Escuela de Desarrollo Tecnológico e Innovación EDTI

GUIA DE LABOATOIO P!"TI"A DE LABOATOIO LABOATOIO LAB IET #$% An&lisis en corriente continua   de ele'entos Pasivos

 

 

Docente % Ing( Ed)in Durandal Asignatura% Asignatura% "ircuitos El*ctricos I

 

"oc+a,a',a - Bolivia I/DI"E DE "O/TE/IDO0  

.#$$ P&g(

 

$ OB1ETI2O GE/EAL

3

$($( O,4etivos es5ecí6icos

3

. FU/DA7E/TO TE8I"O

3

3 PATE E9PEI7E/TAL

$3

3($( Equi5os: Insu'os y "o'5onentes electrónicos

$3

3(.( Procedi'iento

$;

3.2.1.. Medición 3.2.1 Medición de valores valores de resist resistencia encia

$;

3.2.2.. Medición 3.2.2 Medición de Tensión Tensión y Corriente Corriente en circuito circuitos s Serie y  Paralelo Paralelo   $< 3.2.3.. Mediciones 3.2.3 Mediciones eléctricas eléctricas sobre sobre divisores divisores de tensión o corriente corriente

$=

3.2.4.. Prueba 3.2.4 Prueba experimental experimental de los métodos métodos de clculo clculo anal!tico anal!tico

.$

3.2.".. Prueba 3.2." Prueba de los teorema teoremas s de #orton #orton y T$evenin T$evenin

.3

3.2.%.. &btención 3.2.% &btención de la respuesta respuesta transito transitoria ria en circuitos circuitos 'C y '(

.>

3.2.).. &btención 3.2.) &btención de respuesta respuesta transito transitoria ria en circuitos circuitos '(C 

3.

;

PO"E0A7IE/TO DE DATO0

3=

>

G!FI"O0: TABLA0 ? DIAGA7 A0

3@

<

"O/"LU0IO/E0

;>



"UE0TIO/AIO

;>

=

BIBLIOGAFA

;=

$( OB1ETI2O GE/EAL

2

 

• 

Desarrollar habilidades en el análisis y diseño de circuitos en corriente continua mediante elementos pasivos.

$($( OB1ETI2O0 E0PE"FI"O0 • •

•

• •

•

•

•

•

•

Obtener habilidades que permitan obtener los valores de las resistencias. Desarrollar habilidades que permitan realizar las mediciones adecuadas de los distintos parámetros sobre un circuito. Comprobar la relación de parámetros de tensión y corriente en los elementos pasivos sobre un circuito.  Analizar y diseñar circuitos divisores de potencia potencia mediante elementos pasivos. Valid Va lidar ar los métodos métodos de cálcul cálculo o analt analtico icos s de cir circui cuitos tos básicos básicos.. !"étod !"étodo o de mallas# método de nodos y método de superposición$. Comprobar Compr obar y obtener obtener e%perimenta e%perimentalment lmente e los parámetros parámetros equivalente equivalentes s se&'n el teorema de (orton y )hevenin de un circuito lineal. Comp Co mpro robar bar y obser observa varr la re respu spuest esta a trans transit itor oria ia en circ circui uito tos s capac capacit itiv ivos os e inductivos de primer orden !Circuitos *+ y *C$. *ealizar el análisis de la respuesta transitoria en circuitos de se&undo orden !Circuitos ,ntroducir *+C$. al estudiante en el diseño de circuitos tomando en cuenta distintos parámetros y requerimientos de diseño. !-otencia má%ima# anancia# Corriente# Volta/e$ 0amiliarizar al estudiante con la metodolo&a de diseño y prueba de prototipos.

.( FU/DA7E/TO TE8I"O .($( E0I0TO 1e denomina resistencia a la oposición que presenta la estructura interna del elemento a la circulación de corriente eléctrica a través de él# ori&inando en sus terminales una 4nidades## su valor se e%presa di2erencia de potencial. 3n el 1istema ,nternacional de 4nidades en ohmios# ohmios# y se desi&na con la letra &rie&a ome&a may'scula# ome&a may'scula# 5. 4na resistencia real en corriente continua !cc$ continua !cc$ se comporta prácticamente de la misma 2orma que si 2uera ideal# esto es# trans2ormando la ener&a eléctrica en calor por e2ecto 6oule.. +a ley de Ohm para 6oule Ohm para corriente continua establece que7

  ohmios## V  es  es la di2erencia de potencial potencial  en voltios  voltios e I  es  es la donde R  es  es la resistencia en ohmios corriente en amperios intensidad de corriente en amperios..

.(.( I/DU"TO 3

 

+a bobina o inductor por su 2orma !espiras de alambre arrollados$ almacena ener&a en el campo ma&nético con2ormado y la unidad de inductancia es el 8enrio !8y$ 4na bobina bobina ideal en corriente continua se continua se comporta como un cortocircuito  cortocircuito  !conductor  ideal eal$# ya que al ser iCt  co cons nsta tant nte# e# es deci decirr# no va var ra a con con el tiem tiempo po## no hay hay autoinducción de nin&una 2.e.m.

.(3( "APA"ITO 3l condensador o capacitor almacena ener&a en el campo eléctrico del dispositivo !es directa$$ y se llama capacitancia o evidente eviden te cuando el capacitor 2unciona con corriente directa capacidad a capacidad  a la cantidad de car&as eléctricas que es capaz de almacenar en 0aradios. 3l smbolo del capacitor es el si&uiente7

4n condensador real en CC se CC se comporta prácticamente como uno ideal# esto es# como abierto.. 3sto es as en ré&imen permanente ya que en ré&imen transitorio# un circuito abierto esto es# al conectar o desconectar un circuito con condensador# suceden 2enómenos eléctricos transitorios que inciden sobre el capacitor en sus bornes.

.(;( "ODIGO DE "OLO DE LA0 E0I0TE/"IA0 +as resistencias llevan &rabadas sobre su cuerpo unas bandas de color que nos permiten identi2icar el valor óhmico que éstas poseen. 3sto es cierto para resistencias de potencia pequeña !9 a :;$# ya que las de potencia mayor &eneralmente llevan su valor impreso con n'meros sobre su cuerpo.

3n la resistencia de la izquierda vemos el método de codi2icación más di2undido. 3n el cuer cuerpo po hay < anil anillo los s de colo colorr que# que# consi conside derá ránd ndol olos os a pa part rtir ir de un e% e%tr trem emo o y en dirección al centro# indican el valor óhmico de este. 3l primer y se&undo color indican la ci2ra y el tercer color indica el n'mero de ceros que si&uen a la ci2ra# con lo que ya se tiene el valor e2ectivo de la resistencia. 3l cuarto anillo indica la tolerancia.

4

 

+a resistencia resistencia de la derecha# derecha# por su parte# tiene tiene una banda e%tra que lle&a a ser parte de la ci2ra# estas resistencias se denominan de precisión.  A continuación se muestra la tabla utilizada para la decodi2icación de codi2icación del valor óhmico de una resistencia.

E4e'5lo% 3n el caso de la resistencia de < bandas mostrada anteriormente se tiene. Banda

"ódigo de "olor

2alor /u'*rico

=ra. >anda :da. >anda @ra. >anda andaB ta. >anda !)olerancia$

Amarillo Violeta Anaran/ado  Dorado

< ? @ !%=@$  E

esistencia  ;$#3 C; H

Tolerancia  >

B3ste campo solo es válido en resistencias de precisión con  bandas

.(>( 7ULTI7ETO DIGITAL 3l multm mul etro o di&ita di& itall es aun instru instrumen mento to electr electróni ónico co de medici med ición ón que &enera &enmultmetro eralme lmente nte calcula calcul atmetr volta/e# volta /e# resistencia resistenci y corriente# corri ente# aunque dependiendo del modelo model o de mult metro 5

 

puede medir otras ma&nitudes como capacitancia y temperatura. racias al multmetro pode po demo mos s comp compro robar bar el corr correc ecto to 2unc 2uncio iona nami mien ento to de los los comp compon onen ente tes s y circ circui uito tos s electrónicos.

.(readboards 0uente re&ulada =V. Conectores

Cantidad = = = :

4nidad -za. -za. -za. -zas.



Alicates y pinzas

:

-zas.

N

6umpers

=

Ca/a

?

*esistencia

=

= 

P

*esistencia

=

@@ 

Q

*esistencia

:

= F

=

*esistencia

=

:.: F

==

*esistencia

=

@.@ F

=:

*esistencia

=

anda :da. >anda @ra. >anda andaB ta. >anda !)olerancia$

esistencia 

To Tolerancia lerancia 

B3ste campo solo es válido en resistencias de precisión con  bandas

3.2.1.2. (edici'n 3.2.1.2.  (edici'n mediante el mult&metro +. on-i#urar on-i#urar el mult&m mult&metro etro en su modo modo hm&metro hm&metro 01eneral 01eneralmente mente se tiene tiene el  s&mbolo de “7" para re-erir a este m'dulo8 en al#unos casos será necesario re#ular el ran#o valor a medir8 además es necesario conectar las puntas de medici'n en eldel par de conectores respectivos al s&mbolo5 14

 

6. 9omar mar una una de la las s re resi sist stenc encia ias s y re real ali% i%ar ar la medi medici ci'n 'n se#/n se#/n el si#u si#uien iente te es$uema.

:. 9abular 9abular los los datos y repetir repetir el proceso proceso para para las + resiste resistencias ncias

3(.($(3( (edici'n mediante la ley de ohm ;. na ve% ase#ur ase#urado ado el -uncio -uncionam namien iento to adecua adecuado do del cir circuit cuito o proced proceder er a la implementaci'n sobre un protoboard. 3.  < continuaci'n se procede a tomar medidas de corriente y voltaje utili%ando el  mult&metro sobre cada elemento del circuito 0tanto resistores como las -uentes5. 4. 9a 9abular bular los datos y comparar con los datos te'ricos. 9abulaci'n bulaci'n de Datos 3(.(;(3( 9a

3(.(;(3($ Dia#rama del circuito

22

 

3(.(;(3(. 9oma de datos. Ele'ento $ . 3 ; > <  = @ $# Fuente $ Fuente .    

esist( "orriente CA C TM 7M

2olta4e C2 TM 7M

Potencia C TM 7M 7a

MM

-

B )H ) )eórico eórico y " H "edido# si se tiene mayor mayor cantidad de elementos# adaptar la tabla a lo requerido BB 3 si es que el elemento elemento ent entre&a re&a potencia potencia y A si es que absorbe absorbe potencia

3.2.".   Crueba de los teoremas de Korton 3.2.". Korton y 9hevenin

3(.(>($( btenci'n anal&tica de los circuitos e$uivalentes 1. Del dia#rama del circuito anterior seleccionar una de las resistencias del arre#lo a la cual cual denom denomin inar arem emos os re resi sist sten enci cia a de car# car#a a o de ma maner nera a má más s #ene #enera ral  l  impedancia de car#a. 2. *obr *obre e ambas ambas termin terminale ales s de dicha dicha resist resistenc encia ia dede-ini inirr las termin terminales ales < y. < continuaci'n mostramos un ejemplo de esta denominaci'n.

3. *obre dichas terminales de la resistencia de car#a y el dia#rama del ejercicio anterior 0A.,.B.5 reali%ar la obtenci'n anal&tica del circuito e$uivalente de Korton y 9hevenin se#/n los teoremas respectivos. 0Cara el cálculo se debe tener en cuenta $ue la resistencia denominada de car#a ya no eiste en el circuito puesto $ue ahora solo están presentes las terminales abiertas en dicha posici'n5. 23

 

4. >na ve% reali%ado el cálculo lo#raremos el si#uiente es$uema e$uivalente

3(.(>(.( btenci'n eperimental de los parámetros de circuitos e$uivalentes 9odas 9o das las mediciones se reali%aran sobre el circuito ori#inal del ejercicio 0A.,.B5

3(.(>(.($( btenci'n de la orriente de Korton Ko rton +. on-i#urar on-i#urar el mult&m mult&metro etro en modo modo amper&m amper&metro etro 6. Real Reali% i%ar ar la medi medici ci'n 'n de co corr rrie ient nte e en co cort rto o circ circui uito to sobr sobre e las las term termin inal ales es denominadas < y  en el circuito ori#inal 09omar en cuenta $ue no debe estar   presente la car#a y $ue se s e puede simular el corto circuito entre estas terminales midiendo directamente la corriente en paralelo a estas terminales5

3(.(>(.($( btenci'n del Voltaje de 9hevenin :. on-i#urar on-i#urar el mult&m mult&metro etro en modo modo Volt&m Volt&metro etro ;. Real Reali% i%ar ar la medi medici ci'n 'n de vo volt ltaj aje e en circ circui uito to ab abie iert rto o sobr sobre e las las term termin inal ales es denominadas < y  en el circuito ori#inal 09omar en cuenta $ue no debe estar   presente la car#a y $ue la medici'n se la reali%a reali%a en paralelo a estas terminales5

3(.(>(.($( btenci'n de la resistencia e$uivalente =. *obre el dia#ram dia#rama a reempla%ar reempla%ar las -uente -uente del circuit circuito o por su e$uiva e$uivalente lente de valor  valor  ? 0Cara la obtenci'n anal&tica de este parámetro las -uentes deben tener una valor i#ual a ? o e$uivalentemente indicando ortocircuito en caso de -uentes de voltaje y ircuito abierto en caso de -uentes de corriente5. Kota !l corto circuito es e$uivalente a reempla%ar la -uente por un cable conductor y el circuito abierto sencillamente a $uitar la -uente. )?.on-i#urar el mult&metro en modo hm&metro )). Reali%ar la medici'n de la resistencia e$uivalente sobre las terminales < y  del  circuito.0 9omar 9omar en cuenta $ue no debe estar presente la car#a5 ),.omparar los resultados con los obtenidos anal&ticamente 24

 

3(.(>(3( Validaci'n de los teoremas de Korton y 9hevenin Debido a la ausencia de -uentes de corriente en el e$uipamiento de laboratorio solo se procederá a reali%ar la prueba de se#/n el circuito e$uivalente de 9hevenin )A.Re#ular la -uente de alimentaci'n variable al voltaje e$uivalente de 9hevenin. )B.(;( 9a 9abulaci'n bulaci'n de datos 3(.(>(;($( Datos correspondientes a los parámetros de conversi'n 'esistencia de car+a ,

 T:   , , T:  

Teórico 0#& ,

';*8 aun$ue de i#ual manera similar se puede utili%ar otro so-tMare como ser ircuit (aOer8 Cspice8 etc. ,?.*eleccione ) valor de resistencia y uno de inductancia arbitrario. ,).Reali% ,). Reali%ar ar el cálculo cálculo anal&tico de la constante constante de tiempo tiempo 0FLGR5 para circuito circuito RL se#/n el es$uema de la si#uiente -i#ura. >tili%ar una -uente de voltaje i#ual a +V  o menor.

,,.    

E  

E <  = @ $# $$ $. $3 $; $>  

E( G!FI"O0: TABLA0 ? DIAGA7A0 3n la si&uiente sección se presentaran las distintas &rá2icas# tablas y dia&ramas que perm pe rmit itan an te tene nerr una una id idea ea más más cl clar ara a de lo los s resu result ltad ados os obte obteni nido dos s por por los los dist distin into tos s e%perimentos planteados a lo lar&o de la práctica de laboratorio.  Además se describirá d escribirá las caractersticas principales de cada &rá2ica y lo que se espera obtener conceptualmente sobre la misma.

>($( es5uesta de volta4e so,re un inductor en un circuito L si'5le( v ( t )s o br eu ni n du ct o r 0. 7 v ( t ) v ( t au)

0. 6

0. 5  ) . 4  V0  (  e  g  a  t  l  o0 3  V .

0. 2

0. 1

0  0

0. 05

0. 1 0 . 15 T i e m mp p o( s )

0. 2

0. 2 5

De la &rá2ica lo que se rescata es básicamente y la 2orma de la curva# estos se caracterizan por tener tendencia e%ponencial# de esta además se puede ver que el volt volta/ a/e e sobr sobre e el in induc ducto torr si siem empr pre e tien tiende de a ser ser V por por lo qu que e &ener &eneral alme ment nte e se lo denomina corto circuito cuando se traba/a en circuitos DC.

>(.( es5uesta de corriente so,re un inductor en un circuito L si'5le(

40

 

i ( t )s o br eu ni n du ct o r 10 0 i ( t ) i ( t a u)

90 80 0  ) 7  A  (  e  t  n 6  e 0  i  r  r  o  C

50 40 30 20  0

0. 05

0 . 1 0. 15 T i e m mp p o( s )

0 . 2

0. 25

De i&ual manera que el volta/e se ve que la corriente se caracteriza por tener 2orma e%ponencial# pero en este caso la corriente tendera a un valor má%imo de2inido por el esquema circuito de i&ualDC manera con el la concepto cuando se del traba/a en circuitos ya queconcuerda de/a circular toda corrientede delcorto lazo. circuito

>(3( es5uesta de volta4e so,re un ca5acitor en un circuito " si'5le( v ( t )s o br eu nc ap ac i t o r 2 5 v ( t ) v ( t a u )

2 4 . 5

2 4  )  V 3 . 5  (2  e  g  a  t  l  o 3  V 2

2 2 . 5

2 2

2 1 . 5  0

50

100

15 0

T i e m mp p o( s )

De la &rá2ica lo que se rescata al i&ual que los anteriores casos es la tendencia e%ponencial# pero el principal concepto que aporta la &rá2ica sobre los circuitos *C# es que el volta/e volta/e sobre un capacitor capacitor siempre tendera tendera a un valor má%imo# el cual depende de acuerdo al esquema del circuito.

>(;( es5uesta de corriente so,re un ca5acitor en un circuito " si'5le(

41

 

i ( t )s o br eu nc ap ac i t o r 0. 2 i ( t ) i ( t au)

0 . 1 8 0 . 1 6 0 . 1 4  )0 . 1 2  A  (  e  t  n 0. 1  e  i  r  r  o  C0 . 0 8

0 . 0 6 0 . 0 4 0 . 0 2 0  0

5 0

100

150

T i e m mp p o( s )

Vemos que de i&ual manera cumple con la tendencia e%ponencial# el aporte de esta &ra2ica va li&ada al concepto básico que en un circuito *C simple en corriente continua la corriente sobre el elemento capacitor siempre será  A# permitiendo la interpretación de este como circuito abierto# validando el concepto teórico que se tiene.

>(;( es5uesta de transitorios so,re circuito L" si'5le( v ( t )-So br e amo r t i g ua m mi i e nt o 50 45 40 35 0  )3  V  (  e  g2 5  a  t  l  o  V 20 15 10 5 0 0

1

2

3 T i e m mp p o( s )

4

5

6

3n esta &ra2ica vemos el caso de sobreamorti&uamiento# como vemos al sistema le toma cierto tiempo en lle&ar al valor estable# antes e%iste un intervalo transitorio# en el caso del sobre amorti&uamiento se dice que el tiempo de estabilización es mayor  al caso del amorti&uamiento crtico# cuan mayor es depende de los valores de los componentes y de la relación propuesta para la di2erenciación de los casos.

42

 

v ( t )-Amo r t i g ua mi mi e nt oCr i t i c o 70

60

50  )  V40  (  e  g  a  t  l  o30  V

20

10

0 0

0. 5

1

1. 5

2

2. 5 3 T i e m mp p o( s )

3. 5

4

4. 5

5

3n este caso denominado denominado de amorti&uami amorti&uamiento ento crtico# crtico# se dice que es el caso en el cual el tiempo de estabilización del sistema es el mnimo de todos los casos. 1i bien vemos la misma 2orma que en el caso del sobreamorti&uamiento# el tiempo de estabi est abiliz lizaci ación ón es claram clarament ente e mucho mucho menor menor## en espec espec2ic 2ico o par para a el e/e e/empl mplo o es prácticamente la mitad. v ( t )-Su ba mo mo r t i g ua do 80 70 60 50  )  V  (4 0  e  g  a  t  l  o3 0  V

20 10 0 10 0

0. 5

1

1. 5

2

2. 5 3 T i e mp mp o( s )

3. 5

4

4. 5

5

3ste caso de subamorti&uamiento es aquel caso en el que a di2erencia de los otros casos se observan oscilaciones antes de estabilizarse# es decir la pendiente de la 2unción va variando constantemente entre valores positivos y ne&ativos. 3n el caso espec2ico del e/emplo no se puede apreciar de manera aceptable esta oscilación.

43

 

v ( t )-Su ba m mo o r t i g ua do 3 2. 5 2 1. 5  )  V  ( 1  e  g  a  t  l  o0 . 5  V

0 0 . 5 1 1 . 5 0

0. 5

1

1. 5

2

2. 5 3 T i e m mp p o( s )

3. 5

4

4 . 5

5

3n la &rá2ica anterior# podemos observar claramente la oscilación de los valores que toma to ma la 2u 2unc nció ión# n# co como mo pode podemo mos s ve verr e% e%is iste te un circ circui uito to inte interv rval alo o lue& lue&o o de las las oscilaciones en las cuales de i&ual manera se cumple con la estabilización del valor. 4na caracterstica que 2ácilmente se puede analizar de las &rá2icas es que al tratarse de mediciones de volta/e que tienden a un valor i&ual a V# la medición se la está realizando sobre un inductor que a lo lar&o del tiempo en corriente continua act'a como corto circuito.

>(>( es5uesta de 5otencia C"once5to de '&i'a trans6erencia de 5otencia( Fu nc i o ndep ot e n ci ae nl ac ar g a 250

200

 ) 50  W1  m  (  a  i  c  n  e  t  o1 0  P 0

50

0 0

1

2

3 4 5 6 7 Re s i s t e n ci ad eca r g a ( ko hm)

8

9

10

3sta prueba se la realiza para comprobar el concepto de má%ima trans2erencia de pote po tenc ncia ia## la cone% cone%ión ión del del di dia&r a&ram ama a es muy senc sencil illa la básic básicam ament ente e se acop acopla la una re resi sist stenc encia ia deno denomi minad nada a de car& car&a a con con un si sist stem ema a de &ener &eneraci ación ón qu que e pose posee e un una a 44

 

resistencia interna# lo que se quiere probar es cuando e%iste la má%ima potencia sobre la car&a# la prueba e%perimental se la realizo con una resistencia de = F# y del &ra2ico claramente clara mente podemos validar que para que e%ista má%ima trans2erencia trans2erencia de potencia potencia la resistencia de car&a debe ser i&ual al de la cone%ión hacia la 2uente.

>(