Informe Nro 6 Tecnología Eléctrica

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

ÁREA DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS X

INFORME

TRABAJO PREPARATORIO Tecnología Eléctrica

X

Circuitos Eléctricos I Circuitos Eléctricos II

Tema: Construcción y Uso de un Voltímetr Voltímetro o Multirango

Práctica #: 6 

Realizado por: Alumno (s): Gabriela Camino

Grupo:

W5TE-6

Jairo Orozco Diego Ríos

(Espacio Reservado) Fecha de entrega: 2015 / 05 / 27 año

Sanción:

Semestre:

mes

f. ______________________

día

Recibido por:

________________________________________________

Mar - Ago Sep - Feb

X ____   _  

2015

2. Sustentación teórica: Objetivo General: Construir un voltímetro de 12 [V] fondo de escala (se puede hacer un multi-rango) en base de los datos (Ri e I fondo de escala del mili-amperímetro de la práctica anterior).  Aplicar la constante de escala del nuevo aparato en la medición de diferencias de potencial en un circuito eléctrico.

Resumen teórico de sustentación del experimento:

Voltímetro: Un medidor básico, o sea un galvanómetro, es útil también para medir voltajes, ya que la bobina tiene una resistencia fija y por lo tanto cuando fluye corriente a través de la bobina ocurre una caída de tensión en esta resistencia. Según la ecuación de ohm, la caída de tensión será proporcional a la corriente que fluye a través de la bobina.

Voltímetros Analógicos de CC: La mayor parte de los voltímetros usan el movimiento de D’Arsonval. Este puede considerarse en sí mismo un voltímetro si se tiene en cuenta que la corriente que pasa por él multiplicada por su resistencia interna origina una caída de voltaje. Si la escala indica [V]oltios en lugar de [A]mperios, el movimiento sería un voltímetro.

Ejemplo: Un movimiento de 1 [ μA] y 50 [Ω] tiene una caída de 50 [mV]

cuando

funciona a plena escala.

Ampliación de la Escala Una resistencia multiplicadora permite “amplificar” la sensibilidad del instrumento.

El valor de la resistencia multiplicadora necesaria para la escala de voltaje se calcula con base a la Fig. de arriba., donde: Im = corriente de deflexión a plena escala del movimiento. Rm = resistencia interna del movimiento. Rs = resistencia multiplicadora. V = voltaje a plena escala del instrumento.

Para el circuito:

V = Im Rs + Im Rm V = Im (Rs + Rm)

 Al despejar Rs, se tiene:

Rs =

V  Im R m

Rs =

Im V Im

 Rm

Por lo general la resistencia multiplicadora se monta dentro de la caja del voltímetro para escalas moderadas hasta 500 V. para voltajes más altos, la resistencia multiplicadora se puede montar afuera del gabinete sobre un par de postes blindados con el fin de evitar el calor excesivo del interior.

Voltímetros de Rango Múltiple: La suma de varias resistencias multiplicadoras, junto con un interruptor de rango, provee al instrumento de varias escalas de trabajo. La Fig. inferior izquierda, muestra un voltímetro multi-rango con un interruptor de tres posiciones y tres resistencias multiplicadoras, para las escalas de voltaje respectivamente.

Para diseñar un voltímetro de varias escalas, debemos calcular la resistencia que tenemos que conectarle en serie al galvanómetro para cada una de ellas. O sea, para obtener una escala que pueda indicar hasta V 1  voltios, debemos conectar una

resistencia R1, para tener otra que llegue hasta V 2, debemos conectar R 2  y así sucesivamente. Para la primera escala la resistencia interna total que presentará el voltímetro será RT1 = Ri + R1, para la segunda será RT2= Ri + R2, etc. La tabla de abajo se resume el procedimiento de diseño.

Procedimiento de diseño de un voltímetro de varias escalas.

Como podemos observar en la tabla anterior, la relación (resistencia interna total)/(voltaje máximo de la escala) es una constante que depende del galvanómetro que estamos utilizando, ya que es igual al inverso de la corriente máxima de dicho instrumento. Esta relación se conoce con el nombre de característica ohmios/voltio ya que éstas son las unidades en que viene expresada.

Precauciones: Obsérvese la polaridad correcta; ya que si es incorrecta origina que el medidor deflecte contra el mecanismo de tope y esto puede dañar la aguja. Conéctese el voltímetro del circuito a través del circuito o componente cuyo voltaje se va a medir. Cuando emplee un voltímetro de escala múltiple, hay que utilizar la escala de mayor voltaje y posteriormente disminuirla hasta tener una lectura lo más cercana a la parte superior de la escala. Considere el efecto de carga. Este se puede minimizar seleccionando la escala de voltaje más alta como sea posible. La exactitud disminuye si la indicación está en el extremo inferior de la escala.

3. Procedimiento práctico: Elementos utilizados en la Práctica:

Continua

El voltaje proporcionado por ésta fuente es de corriente continua. La capacidad de voltaje es 24 Voltios y la capacidad de corriente es de 0,5 Amperios.

1 Resistor

Es una resistencia variable cuya resistencia puede variarse en décadas de distintos

decádico de 0 a

valores desde .01Ω hasta décadas de 1KΩ.

10 KΩ

Su capacidad es de 10 KΩ y su sensibilidad

1 Fuente de

Fuentes

Corriente

es de .01Ω

Elementos 1 Tablero de

Este tablero está formado por resistencias de potencia de varios valores: 50, 100, 200 y

resistores de

250Ω con terminales de conexión que

(100 y 300 Ω)

permiten realizar varias combinaciones de resistencias conforme se lo requiera.

1 mili-

Es un instrumento que sirve para medir corriente de muy bajas magnitudes (en el orden de miliamperios). Su capacidad es de 20 miliamperios y su sensibilidad es de 0,5 miliamperios.

amperímetro analógico (práctica 4)

Equipos de medida

1 Multímetro analógico

1 Multímetro digital

Permite medir voltaje, corriente y resistencia. Éste instrumento funciona para medir tanto corriente alterna como corriente contínua.

Permite medir voltaje corriente y resistencia. Éste instrumento funciona para medir tanto corriente alterna como corriente continua. La ventaja de este instrumento es que debido a que es digital no presenta errores de paralaje en la medición.

Es un interruptor de cuchillas que sirve de protección para el circuito ya que posee un fusible cuyo valor para el caso de la práctica es de 1 A

1 Interruptor doble con  protección

Elementos de maniobra y

3 Interruptor

protección

Simple

Es un elemento de maniobra que permite conectar y desconectar el circuito y es también utilizado para la conexión del amperímetro.

Son cables que permiten realizar las distintas conexiones en el circuito. Poseen diferentes tipos de terminales para facilitar las conexiones.

 Juego de Cables

 Modelos circuitales realizados en el experimento:

Figura 1

Figura 2

Figura 2

resumen del procedimiento práctico del experimento:

1. Para comprobar la veracidad del valor de la resistencia multiplicadora (Rm) calculada para 12 [V] fondo de escala en el trabajo preparatorio, colocar en el circuito de la Figura 1 dicho valor en el resistor (Rm) en serie con el mili-amperímetro e ir incrementando el valor de la fuente desde 0 hasta tener el voltaje de diseño (12 [V]), anotar los resultados.

2. En caso de ser necesario ajustar el valor de Rm para que el mili-amperímetro (escala original) y el voltímetro (escala de 12 [V]) marquen el valor de fondo de escala (el valor en Rm es el valor práctico del resistor multiplicador) y los terminales del conjunto serie mA y Rm son los terminales del voltímetro (AB).

A

B

USO DE LA ESCA LA DEL MILIAM PERÍMETRO C OMO VOL TÍ METRO

3. Armar el circuito de la Figura 2 con los elementos de protección y maniobra necesarios.

4. Incrementar el valor en la fuente hasta tener una diferencia de potencial de 10 [V] (medida en el voltímetro digital) y tomar datos de: diferencia de potencial total y en cada elemento con: el multímetro digital, el multímetro analógico y los terminales del voltímetro de prueba (AB) aplicando la constante de escala.

4. Datos medidos en la práctica: FIGURA Nº 1: Valor de la resistencia multiplicadora

 =

 

  =

12  20 

 2.35 Ω = 597,65 Ω

Dónde:

 = Voltaje de la fuente.  = Resistencia interna del amperímetro.  = Corriente de fondo de escala del miliamperímetro.  = Resistencia externa a utilizar.

Valor de la resistencia multiplicadora experimental:

 = 597,65 Ω

FIGURA Nº 2: Voltaje en los elementos (promedio) VOLTAJE

Multímetro

Multímetro

 Voltímetro

Analógico [V]

Digital [V]

Galvanómetro [V]

 Voltaje total

10,05

10,2

10,15

Resistencia 50Ω

3,25

3,3

3,26

Resistencia 100 Ω

6,62

6,67

6,555

Resistencia 200 Ω

10

10,09

10,02

Elemento

5. Desarrollo del cuestionario: 5.1. Para los datos obtenidos en el circuito de la Fig. 2 presentar un cuadro de valores en el que conste: valores medidos, valores calculados, constante de escala, y errores de lectura expresados en forma porcentual (considere como valor real el valor del multímetro digital).

 Tabla Nº 1: Voltaje medidos con el multímetro digital y analógico en los elementos ( valores medidos por los tres estudiantes y promedio) VOLTAJE

Elemento  Voltaje total Resistencia 50 Ω Resistencia 100 Ω Resistencia 200 Ω

Multímetro

Multímetro

Analógico [V]

Digital [V]

10 – 10,05 – 10,10

10,2 – 10,21 – 10,2

10,05

10,2

3,2 -- 3,25 – 3,3

3,31 – 3,3 – 3,3

3,25

3,3

6,6 – 6,61 – 6,65

6,67 – 6,67—6,67

6,62

6,67

10-10-10

10,09 – 10,08 – 10, 09

10

10,09

 Tabla Nº 2: Voltaje medidos con el Voltímetro Galvanómetro en los elementos (valores medidos por los tres estudiantes y promedio)

Constante de escala del voltímetro construido:  =

       

=

12 40

= 0,3

VOLTIMETRO GALVANOMETRO

Numero de divisiones  Voltaje total

Resistencia 50Ω Resistencia 100Ω Resistencia 200Ω

 Voltaje [V]

34

× 0,3

10,2

33,5

× 0,3

10,05

34

× 0,3

10,2

11

× 0,3

3,3

10,06

× 0,3

3,2

11

× 0,3

3,3

22

× 0,3

6,6

21,5

× 0,3

6,45

22,05

× 0,3

6,615

33,5

× 0,3

10,05

33

× 0,3

9,9

33,7

× 0,3

10,11

 TABLA Nº 3: Voltaje en los elementos (promedio)

Promedio [V] 10,15

3,26

6,555

10,02

VOLTAJE

Elemento

 Valor Real

Multímetro

Multímetro

Analógico [V]

Digital [V]

 Voltímetro Galvanómetro [V]

 Voltaje total

10,05

10,2

10,15

Resistencia 50Ω

3,25

3,3

3,26

Resistencia 100 Ω

6,62

6,67

6,555

Resistencia 200 Ω

10

10,09

10,02

% =

% =

   

597,65  597,65

Multímetro Analógico

 Voltímetro Galvanómetro

597,65

% =

% =

× 100

× 100 = 0%

,−, ,

,−, ,

× 100 = 1,47%

× 100 = 0,49%

Multímetro Analógico

 Voltímetro Galvanómetro

Multímetro Analógico

 Voltímetro Galvanómetro

Multímetro Analógico

 Voltímetro Galvanómetro

% =

% =

% =

% =

% =

% =

,−, ,

× 100 = 1,51%

,−, ,

× 100 = 1,21%

,−, ,

× 100 = 0,75%

,−, ,

−, ,

× 100 = 1,72%

× 100 = 0,89%

,−, ,

× 100 = 0,69%

 TABLA Nº 4: Error Relativo porcentual en las medidas

Error relativo porcentual

RESISTENCIA MULTIPLICADORA

 Valor Real

Valor Experimental

597,65 Ω

0%

Error relativo porcentual

VOLTAJE

 Valor Real Elemento

Multímetro Digital [V]

Multímetro

 Voltímetro

Analógico [V]

Galvanómetro [V]

 Voltaje total

10,2

1,47%

0,49%

Resistencia 50Ω

3,3

1,51%

1,21%

6,67

0,75%

1,72%

10,09

0,89%

0,69%

Resistencia 100Ω Resistencia 200Ω

5.2. Presentar en un solo gráfico la escala del multímetro (12 V) y la escala del mili-amperímetro original usado como voltímetro, comentar los errores y resultados.

Se observó que al utilizar la resistencia adecuada para la construcción del voltímetro se puede lograr que los errores sean mínimos.

5.3.

Determinar la constante de escala del voltímetro (12 V),

comentar y justificar los errores cometidos.

Constante de escala del voltímetro 12 [V]:  =

       

=

12 60

= 0,2

Se observa que al conocer el valor de constante de escala se pueden realizar medidas mas precisas, al multiplicar el número de divisiones por la constante de escala.

5.4.

Presentar el

diagrama

circuital

y

el

cálculo

de

las

resistencias multiplicadoras y las constantes de escala para la construcción de un voltímetro de 120 y 200 V de fondo de escala.

Resistencia Multiplicadora:  = (20 )

 =

 

  =

10−   1 

120  20 × 10−  

= 20 × 10−  

 2.35 Ω = 5997,65 Ω

Constante de Escala:  =

       

=

120 40

=3

Resistencia Multiplicadora:  = (20 )

 =

 

  =

10−   1 

200  20 × 10−  

= 20 × 10−  

 2.35 Ω = 9997,65 Ω

Constante de Escala:  =

       

=

200 40

=5

5.5. Presentar un gráfico en el que se identifique claramente la escala del mili-amperímetro original (mili-amperímetro) y las escalas para los voltímetros de 120 y 200 (V) de fondo escala.

6. Análisis de Resultados: Análisis de los resultados obtenidos: Los errores que se presentaron pudieron ocurrir por:



Por un mal funcionamiento de los aparatos de medida, especialmente en el multímetro analógico.



Mala posición del observador al realizar las medidas.



Los aparatos de medida no se encuentre correctamente calibrados y encerados.

Pudimos observar que el valor calculado teóricamente de

 Rm

no varió al utilizarlo en

este experimento, esto nos dice que al determinar la resistencia multiplicadora para convertir el galvanómetro en un voltímetro, ésta fue el valor real requerido para esta práctica; siendo bastante confiables los datos obtenidos. Lo que arroja un error relativo porcentual de 0%.

Los errores en la determinación del voltaje en los elementos se debieron posiblemente a una falla en la apreciación de las medidas, aunque como pudimos notar el error cometido en ellas es muy pequeño, además el valor de la resistencia multiplicadora obtenida con los cálculos previos es exactamente igual a la que se usó en el experimento, por eso en la realización de la práctica no se tuvo que variar el valor de dicha resistencia, e inclusive no fue necesario variar el valor de la fuente de voltaje.  Aun así los errores obtenidos son muy insignificantes, lo cual nos demuestra la confiabilidad de este proceso.

 Justificar el error cometido con cada instrumento de  medida usado: Los errores registrados se pudieron dar debido a las siguientes razones: 

Inexperiencia de los estudiantes que realizaron las medidas.







Debido a una calibración no adecuada del instrumento, puede ser también por deterioro o desgaste del equipo. El ambiente físico en que se realiza un experimento puede tener considerables influencias, estos pueden ser: variaciones de voltaje, la temperatura, presión, humedad, vibraciones mecánicas, etc. Una mala posición del observador, perpendicular al plano de la escala.

no coloca su línea de mira en dirección

CONCLUSIONES EN BASE AL OBJETIVO DEL EXPERIMENTO: 













Como se pudo observar al conectar una resistencia en serie con el galvanómetro, lo convertimos a éste en voltímetro, y dependiendo del valor de esta resistencia nos medirá distintos voltajes. El valor de la resistencia multiplicadora se lo determinará experimentalmente, ya que pueda ser que el valor encontrado inicialmente (teórico) de ésta no marque el fondo de escala como se desearía. Aunque en nuestro caso el valor teórico de la resistencia multiplicadora tiene el mismo valor que el que se realiza en el experimento. Al realizar una medida, para evitar errores grandes, debemos utilizar la menor escala posible del instrumento, tomando en cuenta que la escala sea mayor al valor a medir para evitar daños al instrumento. Antes de poner en funcionamiento el circuito se debe verificar que los interruptores estén cerrados, y que se esté utilizando el interruptor bipolar con un fusible adecuado para el circuito implementado. Al medir voltajes de corriente continua, se debe tomar muy en cuenta la polaridad, especialmente en los instrumentos analógicos, ya que si se conecta la polaridad al revés la aguja del instrumento se moverá en sentido contrario, pudiendo provocar daños en el mismo. Cada instrumento tiene marcado la posición en que se debe utilizar: horizontal, vertical o inclinada. La clase del equipo depende del error de lectura que tiene el instrumento, mientras más pequeño sea el error de lectura, el instrumento es más confiable.

Recomendaciones y sugerencias: 

Tener precaución al utilizar los equipos de medida, en cuanto a la escala utilizada para la medición, la posición del instrumento de medida, y la manera adecuada de realizar la lectura de la medición.











Utilizar siempre el interruptor bipolar con el fusible de protección, ya que si se produce una falla como un corto, o un valor muy elevado de corriente, se puede ocasionar daños al equipo. Cuando emplee un voltímetro de escala múltiple, hay que utilizar la escala de mayor voltaje y posteriormente disminuirla hasta tener una lectura lo más cercana a la parte superior de la escala. Considere el efecto de carga. Este se puede minimizar seleccionando la escala de voltaje más alta como sea posible. La exactitud disminuye si la indicación está en el extremo inferior de la escala. Se recomienda disponer de un reóstato confiable ya que de lo contrario la nueva escala a la que se ajustara el amperímetro tendrá mayor porcentaje de error. Verificar el correcto funcionamiento de los equipos, tanto los usados para armar los circuitos como los aparatos de medida. Ya que la deficiencia de los mismos causará que los errores en las mediciones sean más grandes.

7. Aplicaciones: Posibles aplicaciones experimento: 





directas

o

indirectas

del

Al determinar magnitudes eléctricas podemos obtener los datos necesarios para calcular otras magnitudes. Como por ejemplo la potencia en los transmisores de la radio y televisión. Al realizar mediciones podemos apreciar si los elementos eléctricos tienen un buen funcionamiento o que están fallando, lo que nos permite encontrar el error en un circuito. Al conocer la manera de fabricar un voltímetro, lo podemos hacer de una manera casera y con un bajo costo comparado con los costos de otros aparatos de medida como voltímetros y multímetros, simplemente nos podríamos valer de un mili-amperímetro, que no tiene costos elevados, también de un juego de resistencias y además de un conmutador, para hacer que nuestro voltímetro sea uno multi-rango, para optimizar podríamos disponer las resistencias en cadena y así no usar más que las estrictamente necesarias. Además como vimos en la realización de la práctica estos voltímetros no presentan un error muy grande así que nos servirían perfectamente para el uso casero.

8. Bibliografía específica:

Sistemas Lineales II, Unidad 3: Teoremas de Circuitos. Recuperado http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/sislin2/interactivo/principal/notas/pdf/Unidad3.pdf 

de

Tecnología Eléctrica, Maldonado Alfredo, EPN 2004, Cap 5, pags 130-1132

“Circuitos Eléctricos” ; I. E. S. Cástulo. Recuperado de http://www.edu.xunta.es/centros/iesfelixmuriel/system/files/4-elctri_repaso.pdf 

Guía Práctica de Electricidad y Electrónica;

Ricardo Antonio Martín Barrio; Tomo 1:

Principios Básicos de Electricidad; Unidad IX Fuentes de alimentación; Editorial CULTURAL SA. Edición 1995

BOLTON, Bill. Mediciones y Pruebas Eléctricas y Electrónicas. BOIXAREU Editores. Versión en Español Impreso en España 1995. Págs. 81,82. Voltímetro. Recuperado de http://medicionesvoltimetro.blogspot.com/2007/12/voltimetro.html Multímetro. Recuperado de http://mx.geocities.com/danapam84/MULTIMETRO.htm Construcción y Uso de un Voltímetro Galvanómetro. Recuperado de http://www.utp.edu.co/~jsanz/index_archivos/lab_circuitos/LabCtos2.pdf 

9. Hoja de Datos: