LAB 1 de Circuitos Electricos

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INTRODUCCION

Para comenzar nuestro ensayos en Laboratorio de Circuitos Eléctricos necesitamos saber previamente que es un circuito eléctrico, qué entendemos por su análisis, con qué cantidades se relaciona, en que unidades se miden esas cantidades y las definiciones y convenciones usadas en la teoría de circuitos.

También es indispensable para obtener valores tanto de resistencia, corriente y voltaje, para utilizamos instrumentos como el Multimetro que nos midan estas cantidades de forma fácil y segura.

En este laboratorio se dará una información previa de circuitos, leyes que gobiernan los circuitos e instrumentos, los cuales siempre utilizaran en los laboratorios de circuitos eléctricos y en el campo profesional.

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LAS LEYES DE KIRCHHOFF, RECONOCIMIENTO DE EQUIPOS, INTRUMENTOS Y COMPONENTES OBJETIVOS: 

Reconocimientos de equipos, instrumentos y componentes que se usan en el laboratorio de circuitos eléctricos, aprender la utilidad que estos tienen en campo de los circuitos eléctricos.



Comprobar las leyes de Kirchhoff atravez de experiencias con circuitos reales.

MARCO TEORICO: MULTIMETRO Un multímetro, también denominado polímetro, tester o multitester, es un instrumento eléctrico portátil para medir directamente magnitudes eléctricas activas como corrientes y potenciales (tensiones) o pasivas como resistencias, capacidades y otras. Las medidas pueden realizarse para corriente continua o alterna y en varios márgenes de medida cada una. Los hay analógicos y posteriormente se han introducido los digitales cuya función es la misma (con alguna variante añadida).

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FUENTE DE ALIMENTACION En electrónica, una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la tensión alterna de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico al que se conecta (ordenador, televisor, impresora, router, etc.).

Las fuentes de alimentación, para dispositivos electrónicos, pueden clasificarse básicamente como fuentes de alimentaciones lineales y conmutadas. Las lineales tienen un diseño relativamente simple, que puede llegar a ser más complejo cuanto mayor es la corriente que deben suministrar, sin embargo su regulación de tensión es poco eficiente. Una fuente conmutada, de la misma potencia que una lineal, será más pequeña y normalmente más eficiente pero será más compleja y por tanto más susceptible a averías.

RESISTENCIA DE CARBON Hay dos tipos de resistencias fijas de carbón, las aglomeradas y las de capa o película. En las aglomeradas, el elemento resistivo es una masa homogénea de carbón, mezclada con un elemento aglutinante y fuertemente prensada en forma cilíndrica. Los terminales se insertan en la masa resistiva y el conjunto se recubre con una resina aislante de alta disipación térmica. Existe otro método de fabricación de las resistencias de carbón que consiste en recubrir un tubo o cilindro de porcelana con una capa o película de carbón, o haciendo una ranura en espiral sobre la porcelana y recubriéndola luego con la película de carbón, quedando parecida a una bobina. Estas son las resistencias de bajo voltaje .

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LEYES DE KIRCHHOFF Las leyes de Kirchhoff son dos igualdades que se basan en la conservación de la energía y la carga en los circuitos eléctricos. Fueron descritas por primera vez en 1845 por Gustav Kirchhoff. Son ampliamente usadas en ingeniería eléctrica.

Ambas leyes de circuitos pueden derivarse directamente de las ecuaciones de Maxwell, pero Kirchhoff precedió a Maxwell y gracias a Georg Ohm su trabajo fue generalizado. Estas leyes son muy utilizadas en ingeniería eléctrica para hallar corrientes y tensiones en cualquier punto de un circuito eléctrico.

1ra Ley o Ley de corrientes de Kirchhoff: Esta ley también es llamada ley de nodos o primera ley de Kirchhoff y es común que se use la sigla LCK para referirse a esta ley. La ley de corrientes de Kirchhoff nos dice que:

En cualquier nodo, la suma de la corriente que entra en ese nodo es igual a la suma de la corriente que sale. De igual forma, La suma algebraica de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero.

2da Ley o Ley de Tensiones de Kirchhoff: Esta ley es llamada también Segunda ley de Kirchhoff, ley de lazos de Kirchhoff y es común que se use la sigla LVK para referirse a esta ley.

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada. De forma equivalente, En toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico es igual a cero.

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TRANSFORMACION ESTRELLA – TRIANGULO Con el propósito de poder simplificar el análisis de un circuito, a veces es conveniente poder mostrar todo o una parte del mismo de una manera diferente, pero sin que el funcionamiento general de éste cambie. Algunos circuitos tienen un grupo de resistores (resistencias) que están ordenados formando: un triángulo (circuito en configuración triángulo) ó una estrella (circuito en configuración estrella).

Hay una manera sencilla de convertir estos resistores de un formato al otro y viceversa. No es sólo asunto de cambiar la posición de las resistores si no de obtener los nuevos valores que estos tendrán. La fórmulas a utilizar son las siguientes: (ver los gráficos anteriores) Conversión de triangulo a estrella - R1 = (Ra x Rc) / (Ra + Rb + Rc) - R2 = (Rb x Rc) / (Ra + Rb + Rc) - R3 = (Ra x Rb) / (Ra + Rb + Rc) Para este caso el denominador es el mismo para todas lasecuaciones. Si Ra = Rb = Rc = RDelta, entonces R1 = R2 = R3 = RY y las ecuaciones anteriores se reducen a RY = RDelta / 3

Conversión de estrella a triangulo - Ra = [ (R1 x R2) + (R1 x R3) + (R2 x R3) ] / R2 - Rb = [ (R1 x R2) + (R1 x R3) + (R2 x R3) ] / R1 - Rc = [ (R1 x R2) + (R1 x R3) + (R2 x R3) ] / R3 Para este caso el numerador es el mismo para todas las ecuaciones. Si R1 = R2 = R3 = RY, entonces Ra = Rb = Rc = RDelta y las ecuaciones anteriores se reducen a RDelta = 3xRY

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II.- PROCEDIMIENTO:  MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS : 

VOLTIMETRO



FUENTE DE ALIMENTACION

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

CABLES DE CONECCION



MODULO DE RESISTENCIAS

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

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PROTOBOARD

 RESISTENCIAS DE CARBON

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 PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO: Lo primero que se debe de realizar es medir el valor de todas las resistencias del Modulo usando para esto el Multimetro .  Circuito en serie :

I

R1

R2

R3

+ V1 -

+ V2 -

+ V3 -

+

E

-

1. Haciendo uso del Modulo de Resistencias y de los cables de conexión se procede a conectar resistencias en serie.

2.

Luego haciendo uso de los cables de conexión este circuito eléctrico se conecta a la fuente que posee un determinado voltaje y luego se determina el voltaje en cada resistencia haciendo uso del multimetro, así como la corriente y la potencia.

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 Circuito en Paralelo

I I1

I2

+

E

-

R2

R1

I3

R3

1. Haciendo uso del Modulo de Resistencias y de los cables de conexión se procede a conectar resistencias en paralelo.

2.

Luego haciendo uso de los cables de conexión este circuito eléctrico se conecta a la fuente que posee un determinado voltaje y luego se determina el corriente en cada resistencia haciendo uso del multimetro, así como el voltaje y la potencia.

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 Circuito Complejo I

R1

I2

R3 +

E

+ V2 -

I3

+ V1 -

+ V3 I5

-

I4 + V4 -

+ V6 -

R4

R5 I7

+ V5 -

I6

R6

R2

+ V7 -

R7

1. Haciendo uso del Modulo de Resistencias y de los cables de conexión se procede a conectar resistencias según el grafico mostrado.

2.

Luego haciendo uso de los cables de conexión este circuito eléctrico se conecta a la fuente que posee un determinado voltaje y luego se determina el corriente y voltaje en cada resistencia haciendo uso del multimetro, así como la potencia consumida y entregada.

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III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN: TABLA DE DATOS Y RESULTADOS:

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Ahora compararemos los resultados reales con los teóricos:

Circuito NO1: 

Medidas tomadas con el Multimetro: Elemento

Valor Medido

R1 R2 R3 E

15.16 m 10.4 m 1.21 m 20.22 V

Tensión (Voltios) 18.55 0.012 1.485

Corriente(mA)

Potencia(mW)

1.224 1.154 1.227 1.234

22.705 0.014 1.822 24.96

Tensión (Voltios) 18.7135 0.01283 1.4936

Corriente(mA)

Potencia(mW)

1.2344 1.2344 1.2344 1.2344

23.1 0.01584 1.84373 24.95957

Tensión (Voltios) 19.1 19.4 19.2

Corriente(mA)

Potencia(mW)

1.26 28.9 15.9 46.06

24.07 560.66 305.28 888.96

Tensión (Voltios) 19.3 19.3 19.3

Corriente(mA)

Potencia(mW)

1.2731 28.763 15.9504 45.9852

24.57083 555.126 307.842 887.514

= 16.38 k  Medidas calculadas teóricamente: Elemento

Valor Medido

R1 R2 R3 E

15.16 m 10.4 m 1.21 m 20.22 V = 16.3804 k

Circuito No2:  Medidas tomadas con el Multimetro: Elemento R1 R2 R3 E

Valor Medido 15.16 m 0.671 m 1.21 m 19.3 V = 0.4211 k

 Medidas calculadas teóricamente: Elemento R1 R2 R3 E

Valor Medido 15.16 m 0.671 m 1.21 m 19.3 V

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= 0.4197 k

Circuito No3: Medidas tomadas con el Multimetro: Elemento

Valor Medido

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 E

5.57 m 9.91 m 1.49 m 12.1 m 10.16 m 6.78 m 9.92 m 24 V

Tensión (Voltios) 11.56 2.795 2.675 3.413 3.536 9.79 6.252

Corriente(mA)

Potencia(mW)

2.075 0.28 1.795 0.28 0.348 1.444 0.63 2.075

23.99 0.79 4.8 0.96 1.23 14.14 3.94 49.81

Tensión (Voltios) 11.5468 2.7936 2.66878 3.411 3.53568 9.78442 6.24861

Corriente(mA)

Potencia(mW)

2.073 0.2819 1.79113 0.2819 0.348 1.44313 0.6299 2.073

23.9368 0.7875 4.78 0.96156 1.2304 14.1202 3.936 49.753

= 11.58 k Medidas calculadas teóricamente: Elemento

Valor Medido

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 E

5.57 m 9.91 m 1.49 m 12.1 m 10.16 m 6.78 m 9.92 m 24 V = 11.5774 k

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CUESTIONARIO: I.

Porque razones el Amperimetro se conecta en serie y el Voltímetro en paralelo. En cuanto al vatímetro como es su conexión en un Circuito Electrico. Amperímetro: El Amperímetro consiste básicamente, en un galvanómetro con un shunt o resistencia en paralelo con la bobina, de magnitud lo suficientemente pequeña como para conseguir que prácticamente toda la corriente se desvíe por ella y que el aparato de medida perturbe lo menos posible las condiciones del circuito.Es por esta razón que en un circuito eléctrico , si deseamos medir la corriente entre dos bornes ,el multimetro se conecta en serie.

Voltímetro: El voltímetro es un aparato que mide la diferencia de potencial entre dos puntos. Para efectuar esta medida se coloca en paralelo entre los puntos cuya deferencia de potencial se desea medir, es necesario observar la polaridad del instrumento. La terminal positiva del voltímetro debe conectarse en el extremo del resistor al potencial más alto, y la terminal negativa al extremo del potencial más bajo del resistor. La diferencia de potencial se ve afectada por la presencia del voltímetro. Para que este no influya en la medida, debe de desviar la mínima intensidad posible, por lo que la resistencia interna del aparato debe de ser grande.

Vatímetro: El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo

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consiste en un par de bobinas fijas, llamadas «bobinas de corriente», y una bobina móvil llamada «bobina de potencial. Las bobinas fijas se conectan en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en paralelo. Además, en los vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se mueve sobre una escala para indicar la potencia medida. Una corriente que circule por las bobinas fijas genera un campo electromagnético cuya potencia es proporcional a la corriente y está en fase con ella. La bobina móvil tiene, por regla general, una resistencia grande conectada en serie para reducir la corriente que circula por ella.

II.

Cuando utilizamos el Multimetro,mencione las consideraciones de seguridad que se debe tener en cuenta para medir:a Resistencias ;b Tensiones; c Corrientes A continuación se detallara la forma de usar un multimetro y las consideraciones de seguridad: a) Midiendo resistencias: El procedimiento para medir una resistencia es bastante similar al de medir tensiones. Primero se debe verificar que la resistencia no este conectado a una fuente, luego basta con colocar la ruleta en la posición de ohmios y en la escala apropiada al tamaño de la resistencia que vamos a medir. Si no sabemos cuantos ohmios tiene la resistencia a medir, empezaremos con colocar la ruleta en la escala más grande, e iremos reduciendo la escala hasta que encontremos la que más precisión nos da sin salirnos de rango. b) Midiendo tensiones: Para medir una tensión, colocaremos las bornas en las clavijas, y no tendremos mas que colocar ambas puntas entre los puntos de lectura que queramos medir. Si lo que queremos es medir voltaje absoluto, colocaremos la borna negra en cualquier masa (un cable negro de molex o el chasis del ordenador) y la otra borna en el punto a medir. Si lo que queremos es medir diferencias de voltaje entre dos puntos, no tendremos mas que colocar una borna en cada lugar.

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c) Midiendo intensidades: El proceso para medir intensidades es algo más complicado, puesto que en lugar de medirse en paralelo, se mide en serie con el circuito en cuestión. Por esto, para medir intensidades tendremos que abrir el circuito, es decir, desconectar algún cable para intercalar el tester en medio, con el propósito de que la intensidad circule por dentro del tester. Precisamente por esto, hemos comentado antes que un tester con las bornas puestas para medir intensidades tiene resistencia interna casi nula, para no provocar cambios en el circuito que queramos medir. Una vez tengamos el circuito abierto y el tester bien configurado, procederemos a cerrar el circuito usando para ello el tester, es decir, colocaremos cada borna del tester en cada uno de los dos extremos del circuito abierto que tenemos. Con ello se cerrará el circuito y la intensidad circulará por el interior del multímetro para ser leída.

III.

Cuánto vale la resistencia eléctrica de un rollo conductor de cobre y aluminio de 100 metros de longitud y a 21.5 mm2; b 4mm2. Según la ley de Poulliete, la resistencia eléctrica de un conductor metálico depende del material y de sus dimensiones geométricas. Para un conductor metálico de sección transversal uniforme se tiene:

Donde: R: Resistencia eléctrica equivalente entre “a” y “b” en . L: Longitud del conductor. : Resistividad eléctrica del material. : Area de la sección transversal. Entonces para nuestro caso: a Para el cobre : = 1.68x A = 21.5 mm2 ; L = 100 m

-m

= 0.07814 Para el aluminio: = 2.65x A = 4 mm2 ; L = 100 m

-m

= 0.1232 b Para el cobre : = 1.68x A = 4 mm2 ; L = 100 m

-m

= 0.42

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Lab. Circuitos Eléctricos Para el aluminio: = 2.65x A = 21.5 mm2 ; L = 100 m

UNI-FIM -m

= 0.6625 IV.

En el siguiente circuito: I

R1=100 A

R3=470 R5=1K

+ V

E

R6=2K

-

R6=0.68K

R2=220

R7=5K a) Utilizando las lecturas del Amperímetro y Voltímetro. Hallar la Resistencia Equivalente entre los bornes a y b aplicando la Ley de Ohm. Haciendo uso de las resistencias de carbón y el Protoboard se procede a armar el circuito: De la ley de Ohm se cumple que: V= .

=

Con el multimetro se determino la diferencia de potencial en la fuente que era: V = 24 Volts Debido a que la corriente no se puede medir con el Multimetro del laboratorio, se deberá hallar la resistencia equivalente del circuito,que se desarrollara en la pregunta b b) Medir con el Ohmímetro la Resistencia Equivalente entre los bornes a y b. Para medir la resistencia equivalente con el Multimetro el circuito debe estar aislado: Entonces la resistencia equivalente será: = 988.153

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c) Calcular teóricamente la Resistencia Equivalente utilizando las transformaciones estrella-triangulo o viceversa. Acomodando y aplicando la transformación triangulo – estrella:

I A

R3=470 R5=1K

+ V

E

R6=2100

-

R4=680

R2=5220

Se obtiene: I

R1m

+

R3m

E

R2m

-

R4=680

Donde:

R1m = R2m = R3m =

= 276.471 = 588.235 = 131.653

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R2=5220

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Luego se reduce al siguiente circuito: I

R1m +

E -

R4m

R5m

Donde:

R4m = R3m + 680 = 811.653 R5m = R2m + 5220 = 5808.24 De donde se obtiene la resistencia equivalente:

I

+

E

R6m

-

R6m = 988.608

d) Calcular los errores relativos porcentuales con respecto al valor teórico de la resistencia equivalente entre los bornes a y b. Debido a que la Resistencia equivalente real es: Y la resistencia equivalente teórico es:

= 988.608

Entonces el error cometido es: =

= 988.153

= 0.046024 %

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IV.CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES



Se ha comprobado por la experiencia en el laboratorio que las leyes de Kirchhoff se cumplen en todo circuito eléctrico.



Se comprobó la gran exactitud en los valores medidos por el Multimetro.



También se comprobó que los cables de conexión son conductores casi ideales ya que casi no existe perdidas en el sistema eléctrico.



También usando el Multimetro y el código de colores verificamos los valores de cada resistencia de carbón de modulo, se comprobó que los valores coincidían.



Se comprobó también de las tablas hechas que los errores en la medición de la resistencia, voltaje, corriente en cada elemento son muy bajos y casi despreciables.

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ANEXOS: Tabla de Resistividades para diferentes materiales:

Material

Resistividad a 23°C en ohmios - metro

Plata

1.59 × 10-8

Cobre

1.68 × 10-8

Oro

2.20 × 10-8

Aluminio

2.65 × 10-8

Tungsteno

5.6 × 10-8

Hierro

9.71 × 10-8

Acero

7.2 × 10-7

Platino

1.1 × 10-7

Plomo

2.2 × 10-7

Nicromio

1.50 × 10-6

Carbón

3.5 × 10-5

Germanio

4.6 × 10-1

Silicio

6.40 × 102

Piel humana

5.0 × 105 aproximadamente

Vidrio

1010 to 1014

Hule

1013 aproximadamente

Sulfuro

1015

Cuarzo

7.5 × 1017

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