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INGENIERÍA MECATRÓNICA MEDICIÓN E INSTRUMENTACIÓN PRACTICAS DE LABORATORIO

MECATRÓNICA 4/er Cuatrimestre


INGENIERÍA EN MECATRÓNICA MEDICIÓN E INSTRUMENTACIÓN CUADERNILLO DE PRÁCTICAS

Elaboró

Gerson Villa González 13 de agosto del 2012

Fecha de revisión Responsable

Dr. Ricardo Oscar Magos Pérez

INGENIERÍA MECATRÓNICA MEDICIÓN E INSTRUMENTACIÓN


4° CUATRIMESTRE

Prácticas Práctica 1 Probador de Continuidad Práctica 2 Probador de Diodos Práctica 3 Rectificador de Media Onda Práctica 4 Rectificador de Onda Completa Práctica 5 Rectificador de Onda Completa Tipo Puente Practica 6 Reguladores de voltaje de tres terminales Práctica 7 Operación y Aplicación del Osciloscopio Práctica 8 Generador de Ondas Práctica 9 Circuitos RLC Práctica 10 Temporizador de tres rangos con Relé

Página 6 11 26 26 34 46 54 64 73 84

OBJETIVO: Objetivo general del curso. Al finalizar el cuatrimestre el alumno tendrá los conocimientos necesarios de instrumentación y medición materia que será base para poder llevar materias derivadas de la Carrera.

PRACTICA

RELACION EN EL TEMARIO

SEMANA DE APLICACIÓN

1. Probador de continuidad

Entender el funcionamiento de la continuidad en un circuito.

PERMANENTE DURANTE EL CUATRIMESTRE

2. Probado de Diodos 3. Rectificador de Media Onda

Entender el funcionamiento de los diodos "• Aprender a identificar los devanados de un transformador


4. Rectificador de Onda Completa

5. Rectificador de Onda Completa Tipo Puente

6. Reguladores de voltaje de tres terminales

7. Operación y Aplicación del Osciloscopio

8. Generador de Ondas

9. Circuitos RLC

• Medir los voltajes de entrada y salida de un transformador. • Aprender a identificar las terminales de un diodo rectificador • Aprender a probar diodos rectificadores con el multímetro • Medir el voltaje y la corriente de salida de un rectificador de media onda • Observar en un osciloscopio las formas de onda de un rectificador de media onda " "• Medir el voltaje y corriente de un rectificador de onda completa • Observar en un osciloscopio las formas de onda de un rectificador de onda completa " "• Comparar cuantitativamente el funcionamiento de un rectificador de onda completa con y sin filtro de salida. • Observar en un osciloscopio las formas de onda de voltaje de salida de un rectificador de onda completa con y sin filtro. • Medir la amplitud del voltaje de rizado de un rectificador de onda completa para distintos valores del condensador filtro " "• Examinar el funcionamiento de una fuente de alimentación con regulador fijo • Examinar el funcionamiento de una fuente de alimentación con regulador ajustable • Evaluar el comportamiento de una fuente de alimentación regulada con y sin carga " "• Obtener el desfasamiento entre señales de la frecuencia por los métodos de muestreo y Lissajous • Utilizar un osciloscopio con dos canales y una base de tiempo " "• Comprender el funcionamiento de un generador de onda • Utilizar un osciloscopio con dos canales y una base de tiempo, para comprobar las señales de un generador de onda " "• Verificar experimentalmente el valor de resistencia que se necesita para que un circuito RLC en serie sea críticamente amortiguado, y además corroborar el rango de valores que aquél puede tener para que el sistema tenga una respuesta subamortiguada o sobreamortiguada. • Para otra configuración diferente de circuito RLC verificar la relación que existe entre el valor de la resistencia del circuito y el tipo de respuesta que tiene el sistema eléctrico. • Corroborar con Multisim la respuesta de cada uno de


10. Temporizador de tres rangos con Relé

los circuitos probados en esta práctica " "• Comprender el funcionamiento de un 555 • Utilizar un osciloscopio con dos canales y una base de tiempo, para comprobar las señales de entrada y salida del circuito. • Interpretar el Datasheet o hoja de especificaciones de un 555 "

INDICACIONES DE EMPLEO Y USO DE LABORATORIOS Para el ingreso al área de laboratorios de Electrónica de la Carrera de Ingeniero Mecatrónico y Comunicaciones y Electrónica debe cumplir con la normatividad señalada:

1. El acceso al área de laboratorios será controlado por personal de seguridad y en su caso por personal docente responsable del grupo, personal aislado solo con autorización del coordinador del área. 2. El uso de bata para personal administrativo

3. El personal docente deberá ingresar con bata. 4. Para el personal de alumnos es Obligatorio llevar guantes de látex, batas, lentes de protección, zapatos cerrados, conforme a las actividades que realizara y apego al reglamento correspondiente. 5. Para la realización de técnicas y procedimientos es responsabilidad de cada uno de los alumnos supervisados por sus docentes entregaran desde una semana previa hasta con 24 horas de antelación vales de material a la coordinación de laboratorios, a fin de prever la disponibilidad de los recursos necesarios para el efecto.


Probador de continuidad

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

PRACTICA 1


INTRODUCCIÓN Este valioso instrumento permite saber si un circuito conduce o no corriente y si lo hace apropiadamente.

Objetivos de aprendizaje.  Entender el funcionamiento de la continuidad en un circuito. Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA 

Que es un amplificador operacional

Como funcionan los amplificadores

EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO: 1 Diodos LED rojo de 5mm 1 Protoboard 1 Circuito integrado LM386 1 Resistencia de 330,1/ 4W 2 Resistencias de 3.3k ,1 / 4W 1 Resistencia de 1k ,1/ 4W 1 soporte de batería de 9V 1 Conector para batería de 9V 2 Caimanes (Uno Negro y Rojo) 1 Bocina de 8 / 0.5W 1 Condensador cerámico de 0.47  F / 25V 1 Condensador electrolítico de 220uF / 16V


1 Base de 8 pines para circuito integrado

PROCEDIMIENTO MARCO TEÓRICO: El circuito empleado en el presente proyecto está conformado por un sencillo oscilador construido a base de un amplificador operacional, cuya frecuencia puede ser controlada variando el valor del condensador C2. En el circuito se ha interrumpido el camino que lleva el voltaje de alimentación y en cada uno de sus extremos se ha colocado una punta de prueba, de tal forma que, cuando se checa un elemento conductor en buen estado, este sirve como puente entre los dos extremos y lleva al circuito el voltaje de alimentación, haciendo que este emita un tono. En caso tal que el elemento conductor se encuentre abierto o en mal estado, el voltaje de alimentación no llegará al circuito y por tanto no se activarán ni el diodo LED, ni el oscilador. Como esta es la condición en que permanece el circuito, no existe ningún riesgo de que la batería pueda descargarse, a menos que se dejen unidas las dos terminales de prueba.

Figura 1. Diagrama esquemático del probador de continuidad Teoría de funcionamiento El circuito empleado en el presente proyecto esta conformado por un sencillo oscilador construido a base de un amplificador operacional, cuya frecuencia puede ser controlada variando el valor del condensador C2. En el circuito se ha interrumpido el camino que lleva el voltaje de alimentación y en cada uno de sus extremos de ha colocado una punta de prueba, de tal forma que, cuando se checa un


elemento en buen estado, este sirve como puente entre los dos extremos y lleva al circuito el voltaje de alimentación, haciendo que este emita un tono. En caso tal de que el elemento conductor se encuentre abierto o en mal estado, el voltaje de alimentación no llegara al circuito y por tanto no se activaran ni el diodo LED, ni el oscilador. Como esta es la condición en que permanece el circuito, no existe ningún riesgo de que la batería pueda descargarse a menos que se dejen unidas las dos terminales de prueba.

Procedimiento: 1. Antes de empezar a ensamblar el circuito debe de asegurarse de que tiene disponibles todos los componentes y materiales necesarios. Para ello revise cuidadosamente la lista que se le proporciona al principio de la práctica. 2. Proceda armar el circuito 3. Prueba del circuito. Para saber si el probador esta en buen o mal estado, basta con unir las dos puntas de prueba; en ese momento deberá escuchar un sonido agudo y el diodo LED encenderá. Si esto no sucede, revise que las conexiones estén bien hechas y que los componentes se encuentren en la posición correcta. 4. A continuación se muestran algunos ejemplos prácticos en los que puede ser empleado el probador de continuidad.

Figura 2. Prueba de conductores, de pistas de circuitos impresos y prueba de fusibles. 5. Arme el circuito en Multisim y obtenga sus conclusiones NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)  El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador de textos (PC) sin excepción.  Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia.  No se aceptan copias fotostáticas del reporte final.  La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.

CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:


RECURSOS BIBLIOGRAFICOS: 

Fascinating I.C Projects, P.K. Aggarwal,Editorial BPB, 1990.

Power Supplies for All Occasions, M.C. Sharma, Editorial BPB, 1990.

Fundamentos de microelectrónica, nano electrónica y fotónica Albella José María Pearson 2005

Electrónica: teoría de circuitos Boylestad, Robert L. Pearson 1997

Fundamentals of semiconductor devices 2005

Martín,

Anderson,Betty Lise McGraw Hill


Probador de Diodos

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

PRACTICA 2


INTRODUCCIÓN Como sabemos el diodo es un elemento semiconductor el cual permite que corriente circule y en una sola dirección ahora bien existen varias clases de diodos, también un led es tipo de diodo el cual emite luz cuando se polariza de forma correcta, existen casos en que no sabemos cual es la polaridad de un led ó en que dirección circula la corriente por un diodo, para estos pequeños inconvenientes hemos elaborado un pequeño circuito el cual, si colocamos un diodo en las puntas de prueba y el led enciende nos indica cual es la polaridad del diodo, si colocamos el diodo y el led no enciende tendríamos que cambiar la posición del diodo, si aun así no enciende el led llegaríamos a la conclusión que esta quemado, si colocamos un led emisor de luz también sabríamos cual es la parte positiva y la parte negativa ó si esta quemado..

Objetivos de aprendizaje. •

Entender el funcionamiento de los diodos.

Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA 

Que es un diodo

Como funcionan los diodos de Silicio y Germanio

Curvas características de los Diodos

EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: 1 Multímetro 1 Osciloscopio de dos canales Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO: 2 Diodos LED rojo de 5mm 1 Protoboard 1 Transformador M500 (110 ó 220V/6V, 200mA 2 Resistencias de 330,1/ 4W ,5% 1 Cable de alimentación con enchufe


2 Caimanes (Uno Negro y Rojo)

PROCEDIMIENTO MARCO TEÓRICO: El empleo de instrumentos de prueba en electrónica es indispensable, muchos de ellos pueden tener un costo muy elevado; sin embargo, algunos de ellos pueden ser elaborados por usted mismo, aun precio económico y de acuerdo a sus propias necesidades. El circuito que presentamos a continuación es muy útil como probador de diodos, el cual, sin necesidad de procedimientos complejos ni demorados y en un solo paso, le indica si el diodo sometido a la prueba se encuentra en mal o en buen estado; en tal caso, le indicará cual de las terminales es el ánodo y cual es el cátodo. En la figura 1 se muestra el diagrama esquemático.

Figura 3. Diagrama esquemático Marco Teórico Teoría de funcionamiento De acuerdo a las condiciones en que se encuentra el diodo que se está sometiendo a la prueba, pueden presentarse las siguientes opciones:  Si el diodo esta abierto, no habrá una trayectoria continua para la circulación de la corriente, por lo tanto no se encenderá ningún diodo LED.  Si el diodo esta en cortocircuito, no se presentará oposición al paso de la corriente en ninguna dirección; por ello en cada alternancia de la corriente se encenderá un diodo LED. Aunque aparentemente vemos encendidos los dos al mismo tiempo, esto se debe


a que los cambios de dirección de corriente son tan rápidos que no alcanzamos a percibirlos.  Si el diodo se encuentra en buen estado, encenderá un solo diodo LED, aquel que se encuentre orientado en la misma dirección del diodo que se esta probando, indicando cual es el cátodo del diodo de prueba. En resumen los resultados de las pruebas: Estado de los LED Estado del diodo 1 No se enciende Abierto ninguno 2 Se encienden los dos Malo 3

Se enciende uno

Bueno

Procedimiento: 6. Antes de empezar a ensamblar el circuito debe de asegurarse de que tiene disponibles todos los componentes y materiales necesarios. Para ello revise cuidadosamente la lista que se le proporciona al principio de la práctica. 7. Proceda armar el circuito 8. Prueba del circuito. Una vez ensamblado el circuito, revise detenidamente que todas las conexiones hayan sido hechas correctamente; de ser así, conecte el circuito a la red eléctrica, ningún LED debe encenderse. Posteriormente conecte el diodo que desea probar por medio de los caimanes. Observe si se encienden los diodos LED y verifique el estado del diodo de acuerdo a la tabla. En caso de que el diodo se encuentre un buen estado, observe cual de los diodos LED esta encendido, esto nos indicara cual es el cátodo del diodo. 9. Arme el circuito en Multisim y obtenga sus conclusiones NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)  El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador de textos (PC) sin excepción.  Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia.  No se aceptan copias fotostáticas del reporte final.  La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.


CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:

RECURSOS BIBLIOGRAFICOS: 

Fascinating I.C Projects, P.K. Aggarwal,Editorial BPB, 1990.

Power Supplies for All Occasions, M.C. Sharma, Editorial BPB, 1990.

Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica Albella Martín, José María Pearson 2005 Electrónica: teoría de circuitos Boylestad, Robert L. Pearson 1997 Fundamentals of semiconductor devices Anderson, Betty Lise McGraw Hill 2005

 


Rectificador de Media Onda

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

PRACTICA 3


INTRODUCCIÓN La función básica del circuito rectificador en una fuente alimentación es convertir el voltaje de CA obtenido a la salida del transformador en un voltaje de CD, el cual tiene una polaridad única. Este proceso, denominado rectificación, es posible gracias a la utilización de unos componentes electrónicos llamados diodos.

1. Aspecto físico y simbología de un diodo rectificador

Diseñados específicamente para permitir la circulación de la corriente en un solo sentido y bloquearla en el sentido opuesto. Esta característica los hace adecuados para convertir corriente alterna bidireccional en corriente directa o continua unidireccional.


2. Comportamiento de la polarización de un diodo de manera física y eléctrica. Un diodo permite el paso de corriente cuando el ánodo (A) es positivo con respecto al cátodo (K), y lo bloquea en el caso contrario. En la figura 2 En el primer caso se dice que esta polarizado directamente y en el segundo que lo esta inversamente. Un diodo polarizado directamente se comporta como un interruptor cerrado y no polarizado inversamente como un interruptor abierto. Los diodos rectificadores se especifican por su máxima capacidad de corriente en condiciones de polarización directa y de voltaje en condiciones de polarización inversa. El diodo 1N4001, por ejemplo, es de 50V/1A. Esto significa que puede soportar hasta 50V con polarización inversa o hasta 1 A con polarización directa. Cuando el voltaje o la corriente, bajo estas condiciones, exceden los valores especificados, el diodo se destruye. Como regla, practica, estos valores pueden escogerse de modo que sean, por lo menos, el doble de los valores máximos utilizados en el circuito. Proceso de rectificación La corriente y el voltaje que las compañías distribuyen a nuestras casas, comercios u otros es corriente alterna. Para que los artefactos electrónicos que allí tenemos puedan funcionar adecuadamente, la corriente alterna debe de convertirse en corriente directa o corriente continua. Para realizar esta operación se utilizan diodos semiconductores que conforman circuitos rectificadores. Inicialmente se reduce el voltaje de la red (110/220 Voltios AC u otro) a uno mas bajo como 12 o 15 voltios AC con ayuda de un transformador. A la salida del transformador se pone el circuito rectificador. La tensión en el secundario del transformador es alterna, y tendrá un semiciclo positivo y uno negativo. Rectificador de Media Onda La forma más sencilla de convertir corriente alterna en corriente continua es utilizando un rectificador de media onda, como el mostrado en la figura 3 y figura 4.


3. Polarización del diodo en sentido directo, durante el semiciclo positivo el diodo queda polarizado en directo, permitiendo el paso de la corriente a través de él.

4. Polarización del diodo en sentido inverso. Durante el semiciclo negativo, la corriente entregada por el transformador querrá circular en sentido opuesto a la flecha del diodo. Si el diodo es considerado ideal entonces este actúa como un circuito abierto y no habrá flujo de corriente. El voltaje de CD obtenido a la salida de un rectificador de media onda tiene una frecuencia (f) igual a la de la tensión de la red, es decir 50 o 60 Hz, y una amplitud igual al valor pico V p de la tensión en el secundario. Si se conecta un voltímetro de

 

CD entre los extremos de la carga, el mismo proporcionará una lectura VCD  igual al valor medio de la tensión de salida. Para una señal de media onda, este valor esta dado por: Vdc 

Vp

 0.318V p

V p  2Vrms

Siendo V p el valor pico. En la práctica, el voltaje real obtenido sobre la carga es ligeramente inferior a este valor, debido a que sobre el diodo se presenta una pequeña caída de voltaje, del orden de 0.7V, en condiciones de polarización directa. En la práctica, a este valor debemos restarle la caída de voltaje sobre el diodo (0.7V) para obtener el voltaje de salida real. Este último sería el valor finalmente leído en el voltímetro. Nota. La corriente alterna y los voltajes (cuando son alternos) se expresan de forma común por su valor efectivo o RMS (Root Mean Square – Raíz Media Cuadrática). Cuando se dice que en nuestras casas tenemos 120 o 220 voltios, éstos son valores RMS o eficaces. ¿Qué es RMS y porqué se usa? Un valor en RMS de una corriente es el valor, que produce la misma disipación de calor que una corriente continua de la misma magnitud.

(0.1)


En otras palabras: El valor RMS es el valor del voltaje o corriente en C.A. que produce el mismo efecto de disipación de calor que su equivalente de voltaje o corriente directa. Objetivos de aprendizaje.      

Aprender a identificar los devanados de un transformador Medir los voltajes de entrada y salida de un transformador. Aprender a identificar las terminales de un diodo rectificador Aprender a probar diodos rectificadores con el multímetro Medir el voltaje y la corriente de salida de un rectificador de media onda Observar en un osciloscopio las formas de onda de un rectificador de media onda.

Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA 

Que es un transformador y como funciona

Que es un diodo, tipos de diodo y como funcionan

La función básica de un circuito rectificador

Que es un rectificador de media onda

Como funciona un rectificador de media onda

EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: 1 Multímetro 1 Osciloscopio de dos canales Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO: 1 Cable de potencia trifásico o monofásico 1 Transformador de Potencia (M501 o similar) Primario: 115V ó 220V Secundario: 9V -0V -9V


Corriente: 200mA 1 Diodo rectificador 1N4004 1 Protoboard

PROCEDIMIENTO 1. Identifique las terminales de los devanados primario y secundario. En nuestro caso, el primario tiene dos terminales, identificados con los rótulos 0V y 115V (ó 0V y 220V). El secundario, por su parte, tiene tres terminales, identificados con los rótulos 9V, 0V y 9V. Se trata, por tanto, de un transformador, reductor. En este experimento no utilizaremos la derivación central (0V). 2. Los devanados del transformador pueden ser también probados e identificados midiendo su resistencia interna. Para ello, configure su multímetro como óhmetro y mida, en su orden, las resistencias del primario (RI) y dl secundario (R2), como se indica en la siguiente figura 5. Notará que la resistencia del primario es mayor que la del secundario, ¿por qué?

5. Midiendo la resistencia de los devanados

3. Una vez identificado el primario, soldé entre sus terminales los extremos del cable de potencia, Figura 6. Soldé también tres alambres telefónicos de 15cm, u otra longitud adecuada, a las terminales del secundario. Estos últimos permitirán conectar el transformador al Protoboard.

6. Conectando el cable de potencia 4. Conecte el cable de potencia a un tomacorriente monofásico o trifásico según sea el caso de 120V/60Hz ó 220V/50Hz. Con su multímetro configurando como voltímetro de CA mida, en su orden,


el valor real de los voltajes del primario (VI) y del secundario (V2) en circuito abierto, figura 7.

7. Midiendo voltajes primario y secundario en circuito abierto 5. Tome ahora el diodo rectificador e identifique sus terminales, figura 8. En nuestro caso, el cátodo (K) o negativo es la terminal marcado con la banda. Por tanto la terminal no marcada corresponde al ánodo o positivo.

8. Identificando las terminales 6. Las terminales de un diodo pueden ser también identificados mediante pruebas de resistencia. Para ello, configure su multímetro como óhmetro y mida, en su orden, a la resistencia entre ánodo y cátodo en polarización directa (RF) e inversa (RR), figura 9. Esta última debe ser prácticamente infinita. En general, la resistencia de un diodo en polarización directa es siempre inferior a su resistencia en polarización inversa, ¿por qué?

9. Probando el diodo rectificador 7. Arme sobre el Protoboard el rectificador de media onda mostrado en la figura 10. Antes de instalar la resistencia de carga, mida su valor real (RL) con el multímetro configurado como óhmetro.


10.

Montaje del rectificador de media onda en el Protoboard

8. Configure su multímetro como voltímetro de CA. Mida entonces el valor rms del voltaje de salida del secundario (V2) con carga, figura 11.

11.

Medición del voltaje CA del secundario con carga

9. Configure su multímetro como voltímetro de CD. Mida entonces el valor medio del voltaje sobre la resistencia de carga (VL), figura 12. Este valor concuerda razonablemente con el esperado teóricamente, ¿por qué?


12.

Midiendo el voltaje de salida

10. Configure su multímetro como amperímetro de CD. Mida entonces el valor medio de la corriente de salida (IL), figura 13. Este valor concuerda razonablemente con el esperado teóricamente, ¿por qué?

13.

Midiendo la corriente de salida

11. Las formas de onda reales de voltaje de salida del secundario (V2) y del voltaje sobre la carga (VL) pueden ser también observadas y comparadas en un osciloscopio. Represente estas señales mediante el osciloscopio. Observe que únicamente se rectifican los semiciclos positivos, ¿por qué? 12. Arme el circuito en multisim y compruebe los resultados anteriormente mediante esta herramienta. NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)  El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador de textos (PC) sin excepción.  Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia.  No se aceptan copias fotostáticas del reporte final.  La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.


CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:

RECURSOS BIBLIOGRAFICOS:     

Fascinating I.C Projects, P.K. Aggarwal,Editorial BPB, 1990. Power Supplies for All Occasions, M.C. Sharma, Editorial BPB, 1990. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica Albella Martín, José María Pearson 2005 Electrónica: teoría de circuitos Boylestad, Robert L. Pearson 1997 Fundamentals of semiconductor devices Anderson, Betty Lise McGraw Hill 2005


Rectificador de Onda Completa

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

INTRODUCCIÓN

PRACTICA 4


La función básica del circuito rectificador en una fuente alimentación es convertir el voltaje de CA obtenido a la salida del transformador en un voltaje de CD, el cual tiene una polaridad única. Este proceso, denominado rectificación, es posible gracias a la utilización de unos componentes electrónicos llamados diodos.

Figura 1. Aspecto físico y simbología de un diodo rectificador

Diseñados específicamente para permitir la circulación de la corriente en un solo sentido y bloquearla en el sentido opuesto. Esta característica los hace adecuados para convertir corriente alterna bidireccional en corriente directa o continua unidireccional.

Figura 2. Comportamiento de la polarización de un diodo de manera física y eléctrica.


Un diodo permite el paso de corriente cuando el ánodo (A) es positivo con respecto al cátodo (K), y lo bloquea en el caso contrario. En la figura 2 En el primer caso se dice que esta polarizado directamente y en el segundo que lo esta inversamente. Un diodo polarizado directamente se comporta como un interruptor cerrado y no polarizado inversamente como un interruptor abierto. Los diodos rectificadores se especifican por su máxima capacidad de corriente en condiciones de polarización directa y de voltaje en condiciones de polarización inversa. El diodo 1N4001, por ejemplo, es de 50V/1A. Esto significa que puede soportar hasta 50V con polarización inversa o hasta 1 A con polarización directa. Cuando el voltaje o la corriente, bajo estas condiciones, exceden los valores especificados, el diodo se destruye. Como regla, practica, estos valores pueden escogerse de modo que sean, por lo menos, el doble de los valores máximos utilizados en el circuito. En este tipo de rectificador necesita un transformador con derivación central. La derivación central es una conexión adicional en el la bobina del secundario del transformador, que divide la tensión (voltaje) en este bobinado de dos voltaje iguales. Esta conexión adicional se pone a tierra. Durante el semiciclo positivo de la tensión en corriente alterna, el diodo D1 conduce.

La corriente pasa por la parte superior del secundario del transformador, por el diodo D1 por RL y termina en tierra. El diodo D2 no conduce puesta esta polarizado en inversa. Durante el semiciclo negativo el diodo D2 conduce. La corriente pasa por la parte inferior del secundario del transformador, por el diodo D2 por RL y termina en tierra. El diodo D1 no conduce pues esta polarizado en inversa. Ambos ciclos de voltaje de entrada son aprovechados ye l voltaje de salida se verá como en el siguiente gráfico:

Objetivos de aprendizaje.  Medir el voltaje y corriente de un rectificador de onda completa  Observar en un osciloscopio las formas de onda de un rectificador de onda completa.


Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA 

Que es un transformador y como funciona

Que es un diodo, tipos de diodo y como funcionan

La función básica de un circuito rectificador

Que es un rectificador onda completa

Como funciona un rectificador onda completa

EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: 1 Multímetro 1 Osciloscopio de dos canales Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO: 1 Cable de potencia trifásico o monofásico 1 Transformador de Potencia (M501 o similar) Primario: 115V ó 220V Secundario: 9V -0V -9V Corriente: 200mA 2 Diodos rectificador 1N4004 1 Protoboard

PROCEDIMIENTO 3. Identifique las terminales de los devanados primario y secundario. En nuestro caso, el primario tiene dos terminales, identificados con los rótulos 0V y 115V (ó 0V y 220V). El secundario, por su parte, tiene tres terminales, identificados


con los rótulos 9V, 0V y 9V. Se trata, por tanto, de un transformador, reductor. En este experimento no utilizaremos la derivación central (0V). 4. Los devanados del transformador pueden ser también probados e identificados midiendo su resistencia interna. Para ello, configure su multímetro como óhmetro y mida, en su orden, las resistencias del primario (RI) y dl secundario (R2), como se indica en la siguiente figura 5. Notará que la resistencia del primario es mayor que la del secundario, ¿por qué?

14. Midiendo la resistencia de los devanados

9. Una vez identificado el primario, soldé entre sus terminales los extremos del cable de potencia, Figura 6. Soldé también tres alambres telefónicos de 15cm, u otra longitud adecuada, a las terminales del secundario. Estos últimos permitirán conectar el transformador al Protoboard.

15. Conectando el cable de potencia 10. Conecte el cable de potencia a un tomacorriente monofásico o trifásico según sea el caso de 120V/60Hz ó 220V/50Hz. Con su multímetro configurando como voltímetro de CA mida, en su orden, el valor real de los voltajes del primario (VI) y del secundario (V2) en circuito abierto, figura 7.

16.

Midiendo voltajes primario y secundario en circuito abierto


11. Tome ahora el diodo rectificador e identifique sus terminales, figura 8. En nuestro caso, el cátodo (K) o negativo es la terminal marcado con la banda. Por tanto la terminal no marcada corresponde al ánodo o positivo.

17. Identificando las terminales 12. Las terminales de un diodo pueden ser también identificados mediante pruebas de resistencia. Para ello, configure su multímetro como óhmetro y mida, en su orden, a la resistencia entre ánodo y cátodo en polarización directa (RF) e inversa (RR), figura 9. Esta última debe ser prácticamente infinita. En general, la resistencia de un diodo en polarización directa es siempre inferior a su resistencia en polarización inversa, ¿por qué?

18. Probando el diodo rectificador 13. Arme sobre el Protoboard el rectificador de media onda mostrado en la figura 10. Antes de instalar la resistencia de carga, mida su valor real (RL) con el multímetro configurado como óhmetro.

19.

Diagrama esquemático de la Práctica 4

14. Mida el valor rms del voltaje de CA de salida de cada secundario (V2a y V2b). ¿Por tanto el valor pico de este voltaje (V2p) es?


20.

Medición del voltaje de CA del secundario con carga

10. Mida el valor medio del voltaje de CD sobre la resistencia de carga (VL), figura 10. Este valor concuerda razonablemente con el esperado teóricamente. ¿Por qué?

21.

Midiendo el voltaje de salida

11. Las formas de onda reales del voltaje de salida del secundario (V2a y V2b), así como del voltaje sobre la carga (VL) pueden ser también observadas y comparadas en el osciloscopio, hágalo. Indique los principales valores de voltaje y tiempo de las mismas. 13. Arme el circuito en multisim y compruebe los resultados anteriormente mediante esta herramienta. NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)


 El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador de textos (PC) sin excepción.  Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia.  No se aceptan copias fotostáticas del reporte final.  La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.

CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:

RECURSOS BIBLIOGRAFICOS:     

Fascinating I.C Projects, P.K. Aggarwal,Editorial BPB, 1990. Power Supplies for All Occasions, M.C. Sharma, Editorial BPB, 1990. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica Albella Martín, José María Pearson 2005 Electrónica: teoría de circuitos Boylestad, Robert L. Pearson 1997 Fundamentals of semiconductor devices Anderson, Betty Lise McGraw Hill 2005


Rectificador de Onda Completa Tipo Puente

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

PRACTICA 5


INTRODUCCIÓN La función básica del circuito rectificador en una fuente alimentación es convertir el voltaje de CA obtenido a la salida del transformador en un voltaje de CD, el cual tiene una polaridad única. Este proceso, denominado rectificación, es posible gracias a la utilización de unos componentes electrónicos llamados diodos.

Figura 1. Aspecto físico y simbología de un diodo rectificador

Diseñados específicamente para permitir la circulación de la corriente en un solo sentido y bloquearla en el sentido opuesto. Esta característica los hace adecuados para convertir corriente alterna bidireccional en corriente directa o continua unidireccional.


Figura 2. Comportamiento de la polarización de un diodo de manera física y eléctrica. Un diodo permite el paso de corriente cuando el ánodo (A) es positivo con respecto al cátodo (K), y lo bloquea en el caso contrario. En la figura 2 En el primer caso se dice que esta polarizado directamente y en el segundo que lo esta inversamente. Un diodo polarizado directamente se comporta como un interruptor cerrado y no polarizado inversamente como un interruptor abierto. Los diodos rectificadores se especifican por su máxima capacidad de corriente en condiciones de polarización directa y de voltaje en condiciones de polarización inversa. El diodo 1N4001, por ejemplo, es de 50V/1A. Esto significa que puede soportar hasta 50V con polarización inversa o hasta 1 A con polarización directa. Cuando el voltaje o la corriente, bajo estas condiciones, exceden los valores especificados, el diodo se destruye. Como regla, practica, estos valores pueden escogerse de modo que sean, por lo menos, el doble de los valores máximos utilizados en el circuito. Puentes rectificadores integrados La rectificación de onda completa, mediante un puente de diodos, es una de las técnicas de conversión de CA a CC mas utilizadas en el diseño de fuentes de alimentación, debido principalmente a que no requiere un transformador con derivación central y proporciona un voltaje de salida con un valor máximo igual al valor pico de entrada. Aunque los puentes rectificadores pueden ser construidos con diodos discretos (individuales), una práctica muy común es el empleo de puentes rectificadores integrados, los cuales incorporan los cuatro diodos de un circuito puente, con sus respectivas conexiones, en una misma capsula.


Figura 3. Puentes rectificadores integrados Filtros para rectificadores El voltaje de CD proporcionado por un rectificador, aunque mantiene una polaridad única, no es adecuado para alimentar circuitos electrónicos. Esto se debe que su valor no se mantiene constante, sino que varía periódicamente entre cero ye l valor máximo de la onda seno de entrada. Para suavizar este voltaje y convertirlo en un voltaje de CD uniforme, similar al de una batería, debe utilizarse un filtro. Este último es generalmente un condensador electrolítico de muy alta capacidad. Rectificador de onda completa con filtro Es un rectificador de media onda, el condensador de filtro se recarga solamente una vez durante cada ciclo de voltaje de entrada. Por tanto, debe suministrar corriente a la carga durante la mayor parte del tiempo. Esto obliga a utilizar condensadores de gran capacidad para minimizar el rizado y sostener la corriente de carga. Un mejor resultado se obtiene utilizando un rectificador de onda completa, figura 4. En este caso el condensador se recarga dos veces por semiciclo, lo cual implica que su tiempo de descarga se reduce a la mitad. Como resultado, disminuye el rizado y el voltaje de salida se mantiene casi constante, muy próximo al valor pico. Observe que los diodos D3 y D2 conducen durante los semiciclos positivos del voltaje de entrada (V2), mientras que los diodos D1 y D4 lo hacen durante los semiciclos negativos.


Figura 4. Forma de onda del voltaje de salida de un rectificador de onda completa con filtro de condensador.

Figura 5. Rectificador de onda completa con filtro condensador

En cada caso, a trav茅s de los diodos circula la mitad de la corriente der carga, ay que la otra mitad es suministrada por el condensador de filtro. La amplitud del rizado se calcula de la misma forma que para el rectificador de media onda, excepto que ahora la frecuencia de ondulaci贸n (f) es el doble de la frecuencia de entrada .


Objetivos de aprendizaje.  Comparar cuantitativamente el funcionamiento de un rectificador de onda completa con y sin filtro de salida.  Observar en un osciloscopio las formas de onda de voltaje de salida de un rectificador de onda completa con y sin filtro.  Medir la amplitud del voltaje de rizado de un rectificador de onda completa para distintos valores del condensador filtro. Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA 

Que es un transformador y como funciona

Que es un diodo, tipos de diodo y como funcionan

Que es un puente de diodos

La función básica de un circuito rectificador

Que es un rectificador onda completa

Como funciona un rectificador onda completa

EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: 1 Multímetro 1 Osciloscopio de dos canales Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO: 1 Cable de potencia trifásico o monofásico 1 Transformador de Potencia (M501 o similar) Primario: 115V ó 220V Secundario: 9V -0V -9V


Corriente: 200mA 1 Puente rectificador de 1A/400W (W04M o equivalente) (BR1) (Traer Hoja de especificación es obligatorio del Puente rectificador) 1 Protoboard 1 Resistencia de 470,1/ 2W ( RL2) 1 Resistencia de 100,1/ 2W ( RL3) 1 Condensador electrolítico de 3300 F / 35V , (CF1) 1 Condensador electrolítico de 1000 F / 35V , (CF 2) 1 Condensador electrolítico de 220 F / 35V , (CF 3)

PROCEDIMIENTO 1. Identifique las terminales de los devanados primario y secundario. En nuestro caso, el primario tiene dos terminales, identificados con los rótulos 0V y 115V (ó 0V y 220V). El secundario, por su parte, tiene tres terminales, identificados con los rótulos 9V, 0V y 9V. Se trata, por tanto, de un transformador, reductor. En este experimento no utilizaremos la derivación central (0V). 2. Los devanados del transformador pueden ser también probados e identificados midiendo su resistencia interna. Para ello, configure su multímetro como óhmetro y mida, en su orden, las resistencias del primario (RI) y dl secundario (R2), como se indica en la siguiente figura 6. Notará que la resistencia del primario es mayor que la del secundario, ¿por qué?

22. Midiendo la resistencia de los devanados

3. Una vez identificado el primario, soldé entre sus terminales los extremos del cable de potencia, Figura 7. Soldé también tres alambres telefónicos de 15cm, u otra longitud adecuada, a las terminales del secundario. Estos últimos permitirán conectar el transformador al Protoboard.


23. Conectando el cable de potencia 4. Conecte el cable de potencia a un tomacorriente monofásico o trifásico según sea el caso de 120V/60Hz ó 220V/50Hz. Con su multímetro configurando como voltímetro de CA mida, en su orden, el valor real de los voltajes del primario (VI) y del secundario (V2) en circuito abierto, figura 8.

24. Midiendo voltajes primario y secundario en circuito abierto 5. Tome el puente rectificador e identifique sus terminales, figura 9.Observe que las terminales de entrada de CA están ambas marcadas con el símbolo , mientras que las terminales de salida de CD están marcadas con los símbolos “+” (positivo) y “-“ (negativo).

25.

Identificando las terminales del puente rectificador


6. Pruebe el puente rectificador. Para ello, configure su multímetro como óhmetro o como probador de diodos y efectué todas o algunas de las mediciones de resistencia indicadas en la figura 10. Observe que debe obtenerse una lectura de alta resistencia entre las terminales de CA, sin importar la polaridad de las puntas de prueba, así como entre las terminales de CD o entre cualquier terminal de CD y cualquiera de CA con la punta de prueba positiva en “+”, o la negativa en “-“. Baje cualquier otra condición, debe obtenerse una lectura de baja resistencia. ¿Podría usted explicar porque se obtienen esas lecturas?

26. Probando el puente rectificador 7. Arme sobre el Protoboard el circuito mostrado en la figura 11. Antes de instalar la resistencia de carga (RL2), mida su valor real con el multímetro. Si este ultimo dispone de un capacitometro, mida también el valor real del condensador de filtro (CF2).


27. Montaje del rectificador de onda completa sobre el Protoboard. 8. Mida el valor rms del voltaje de CA entregado por el secundario del transformador (Vi), que es el mismo voltaje de entrada del puente rectificador, figura 12. Calcule el valor pico del mismo (Vip).

28.

Medici贸n del voltaje de CA del puente con carga

9. Mida el valor medio del voltaje de CC sobre la carga (Vo), que es el mismo voltaje de salida del rectificador o entre las terminales del condensador, figura 13.


29.

Midiendo el voltaje de CD de salida

10. Retire instal茅 ahora el condensador de filtro en su posici贸n original y retire la resistencia de carga, figura 14. Mida nuevamente el valor de voltaje de CA de entrada (Vi) y del voltaje de CD de salida (Vo).

30.

Medici贸n de voltaje de salida del rectificador con filtro y sin carga 11. Repita los pasos 8,9 y 10 con las dem谩s combinaciones de resistencias de carga (RL) y de condensadores filtro (CF), relacionados en la lista de materiales. Llene entonces una tabla como la mostrada en la figura 15, donde aparecen registrados los valores del voltaje de salida (Vo) medidos bajo diferentes condiciones. Derive sus propias conclusiones.


31.

Tabla de resultados

12. El comportamiento del circuito anterior puede ser también analizado con la ayuda de un osciloscopio. Este último nos permitirá, a demás, observar y medir el voltaje de rizado, hágalo. 13. Arme el circuito en multisim y compruebe los resultados anteriormente mediante esta herramienta. NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)    

El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador de textos (PC) sin excepción. Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia. No se aceptan copias fotostáticas del reporte final. La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.

CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:

RECURSOS BIBLIOGRAFICOS:     

Fascinating I.C Projects, P.K. Aggarwal,Editorial BPB, 1990. Power Supplies for All Occasions, M.C. Sharma, Editorial BPB, 1990. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica Albella Martín, José María Pearson 2005 Electrónica: teoría de circuitos Boylestad, Robert L. Pearson 1997 Fundamentals of semiconductor devices Anderson, Betty Lise McGraw Hill 2005


Reguladores de voltaje de tres terminales

LABORATORIO DE ELECTRĂ“NICA

PRACTICA 6


INTRODUCCIÓN Fuentes de alimentación reguladas Como hemos visto, es posible reducir el rizado en el voltaje de salida de un rectificador a cualquier nivel deseado utilizando un condensador de filtro suficientemente grande. Sin embargo, esto no garantiza que el voltaje sobre la carga permanezca constante. De hecho, este ultimo puede variar debido a otras causas, por ejemplo, las fluctuaciones en el voltaje de CA de entrada del transformador o los cambios en al resistencia de la carga. Para minimizar el efecto de estos factores y garantizar un voltaje de salida verdaderamente constante, la mejor solución es utilizar un regulador entre el filtro y la carga, figura 1. Las fuentes de alimentación con esta característica se denominan fuentes reguladas.

Figura 1. Estructura básica de una fuente de alimentación regulada Objetivos de aprendizaje.  Examinar el funcionamiento de una fuente de alimentación con regulador fijo  Examinar el funcionamiento de una fuente de alimentación con regulador ajustable  Evaluar el comportamiento de una fuente de alimentación regulada con y sin carga. Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA 

Que es un regulador

Que tipos de reguladores existen

Que es una fuente de alimentación regulada variable

Que es una fuente regulada fija

Que es una fuente de alimentación con reguladores de tres terminales

Reguladores de voltaje con diodo Zener y transistor


EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: 1 Multímetro 1 Osciloscopio de dos canales Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO: 1 Cable de potencia trifásico o monofásico 1 Transformador de Potencia (MGOM 504 o similar) Primario: 115V ó 220V Secundario: 9V -6V-0V-6V -9V Corriente: 450mA 1 Puente rectificador de 1A (W04M o equivalente) (BR1) (Traer Hoja de especificación es obligatorio del Puente rectificador) 1 Protoboard 1 Condensador de 2200 F / 35V ,(C1) 1 Condensador de 0.22 F / 50V ,(C 2) 1 Condensador electrolítico de 1 F / 25V , (C3) 1 Condensador electrolítico de 10 F / 25V ,  C 4  1 Resistencia de 100,1 / 2W ( RL1) 1 Resistencia de 47,1 / 1W ( RL 2) 1 Resistencia de 220,1 / 2W ( RL3) 1 Resistencia de 220 ó 240,1 / 2W ( R1) 1 Resistencia de 1.2k ,1 / 2W ( R 2 A) 1 Resistencia de 2.2k ,1 / 2W ( R 2 B) 1 Resistencia de 470,1 / 2W ( R 2C ) 1 Resistencia de 820,1 / 2W ( R3) 1 LED de 20mA, cualquier color (D3)


PROCEDIMIENTO 1. Tome el regulador fijo (LM340-5 ó LM7805) e identifique sus terminales, figura 2. Familiarícese también con la información impresa en la capsula. Haga lo mismo con el regulador ajustable (LM317), figura 3. En nuestro caso por ejemplo, utilizamos un regulador LM340T5 de National. El prefijo “LM” identifica los circuitos integrados lineales de esta compañía. El número “340” indica que se trata de un regulador de voltaje fijo positivo. La letra “T” se refiere al tipo de capsula (TO-220) y la capacidad de corriente (1A). El numero “5” especifica el voltaje de salida nominal (5V). la capsula también proporcionara la fecha de fabricación y datos útiles.

Figura 2.

Identificando los reguladores de tres terminales.

2. Arme sobre el Protoboard el circuito de la figura 3, correspondiente a una fuente regulada de 5V. tenga en cuenta que C2 y C3 deben de quedar tan cerca del regulador como sea posible. Antes de instalar la resistencia de carga (RL1), mida su valor real con el multímetro. Mida también el valor real de las otras resistencias de carga (RL2, RL3).


Figura 3.

Ensamblaje de la fuente +5V sobre el Protoboard

3. Con su multímetro configurado como voltímetro para CD, mida el voltaje de entrada del regulador (Vi), figura 4.

Figura 4.

Midiendo el voltaje de entrada del regulador fijo.

4. Mida ahora el voltaje de salida (Vo), figura 5. Calcule entonces al corriente de carga (IL) y la potencia disipada por el regulador (Potencia registrada, Preg). Esta ultima es igual a Vi  Vo  I L . la máxima potencia que puede disipar por si mismo cualquier


regulador de la serie LM340 en capsula TO-220 es de 2W. Para potencias mayores, debe utilizarse un disipador de calor, si esto no se hace, el dispositivo podría destruirse.

Figura 5.

Midiendo el voltaje de salida del regulador fijo.

5. Retire la resistencia de carga (RL1) y mida el voltaje de salida del circuito en condiciones de circuito abierto. Designe este voltaje como Voc. Calcule entonces el porcentaje de regulación de voltaje del circuito (RV) mediante la siguiente formula: Voc  Vo  RV  %     100  Voc   Nota. Idealmente una fuente debería tener un porcentaje de regulación del 0%, es decir, entregar el mismo voltaje con o sin carga (Voc=Vo). En la práctica, esto no siempre sucede debido a que toda la fuente tiene una resistencia interna diferente de cero. Lo importante es que esta figura sea muy baja, digamos inferior al 1%. 6. Arme ahora sobre el Protoboard el circuito de la figura 6, correspondiente a una fuente regulada ajustable. Nuevamente, asegúrese que C2, C3 y C4 queden tan cerca del regulador como sea posible. Antes de instalar las resistencias R1 y R2, mida sus valores reales con el multímetro. Al conectar el LED D2, indicando la presencia de voltaje de salida del regulador.


Figura 6.

Montaje de la fuente ajustable sobre el Protoboard

7. Con su multímetro configurado como voltímetro para CD, mida el voltaje de salida de la fuente (Vo), figura 7. Compare este valor con el esperado teóricamente de acuerdo a la formula:  R2  Vo  1.25  1   R1  


Figura 7.

Midiendo el voltaje de salida de la fuente ajustable

8. Para finalizar sustituya la resistencia R2 por un puente de alambre (0). Mida entonces el voltaje de salida (Vo). ¿Que sucede y por qué? 9. El comportamiento del circuito anterior puede ser también analizado con la ayuda de un osciloscopio, hágalo. 10. Arme el circuito en multisim y compruebe los resultados anteriormente mediante esta herramienta. NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)  El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador de textos (PC) sin excepción.  Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia.  No se aceptan copias fotostáticas del reporte final.  La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.

CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:

RECURSOS BIBLIOGRAFICOS:     

Fascinating I.C Projects, P.K. Aggarwal,Editorial BPB, 1990. Power Supplies for All Occasions, M.C. Sharma, Editorial BPB, 1990. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica Albella Martín, José María Pearson 2005 Electrónica: teoría de circuitos Boylestad, Robert L. Pearson 1997 Fundamentals of semiconductor devices Anderson, Betty Lise McGraw Hill 2005


Operación y Aplicación del Osciloscopio

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

PRACTICA 7


INTRODUCCIÓN El osciloscopio es un instrumento cuya principal ventaja es la visualización de eventos y fenómenos eléctricos, a tal grado que es indispensable en muchas áreas de la ingeniería, tanto en el trabajo cotidiano (mantenimiento preventivo y su versatilidad como instrumento de medición, que es tal su versatilidad como instrumento de medición, que es muy difícil precisar límites a sus aplicaciones. Existen diversas formas para definir lo que es un osciloscopio, sin embargo, una de las más aceptadas es la siguiente: “Osciloscopio es un instrumento capaz de presentar en una gráfica luminosa (tipo XY) dos diferencias de potencial, esto es, una en el eje X y otra en el eje Y”. Es importante tener en cuenta que el osciloscopio solo presenta gráficas de voltaje y que las variables comúnmente medidas son: Voltaje, Tiempo y Corriente, de manera que para medir variables tales como: Velocidad, Presión, Temperatura, Fuerza, etc., es necesario emplear transductores adecuados que conviertan cualquier variable física en potencial eléctrico. Los elementos principales de un osciloscopio son los siguientes: TUBO DE RAYOS CATODICOS (TRC) Es el elemento de salida del instrumento, dado que en su pantalla se presentan los trazos luminosos. AMPLIFICADOR VERTICAL La señal que se desea analizar se introduce por el canal vertical procesándola hasta llegar a las placas verticales. Esto produce el desplazamiento vertical del haz electrónico emitido por el cañón del TRC. Para obtener el tubo vertical adecuado en la pantalla esta sección cuenta con amplificadores y atenuadores que son controlados en forma externa para el usuario. AMPLIFICADOR HORIZONTAL Esta sección provoca el desplazamiento horizontal del haz de electrones, es decir, barre a la pantalla de izquierda a derecha a una frecuencia seleccionada por medio de la perilla externa del generador base de tiempo. La señal de barrido se procesa hasta llegar a las placas horizontales como un DIENTE DE SIERRA aplicando con esto, incrementos iguales de voltaje a intervalos de tiempos iguales, condición necesaria para obtener desplazamientos iguales en tiempos iguales en la pantalla . Objetivos de aprendizaje.  Obtener el desfasamiento entre señales de la frecuencia por los métodos de muestreo y Lissajous  Utilizar un osciloscopio con dos canales y una base de tiempo. Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA


Que es osciloscopio

Partes de un osciloscopio

Funcionamiento de un osciloscopio

EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: 1 Osciloscopio de dos canales Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO:

1 manual de operación del Osciloscopio 1 Protoboard 1 Resistor de 4.7 Kohm 1 Capacitor de 0.1 F

Atención Para la realización de esta práctica es necesario utilizar el manual de operación del osciloscopio

PROCEDIMIENTO Medición de desfasamiento por los métodos de muestreo y Lissajous a. Implemente el circuito de la figura 1. Seleccione una señal senoidal en el generador de funciones con una amplitud de 8 volts de pico a pico y una frecuencia de 100Hz


Figura 1. Circuito experimental para medir el desfasamiento entre dos señales. b. Aplique las dos señales al osciloscopio tal como se muestra. Selecciones el modo muestreado (CHOPPER) y coloque el control de la fuente de disparo (TRIGGER SOURCE) en el canal (CH1). Con esto la señal de referencia será la introducida por el canal 1. c. Ajuste el factor de sensitividad vertical (VOLT/DIV) de ambos canales para obtener la misma amplitud. d. Por medio del control de la base de tiempo (MIN TIME/DIV) y su control de calibración referencia de tal forma que aparezca un ciclo completo en ocho divisiones horizontales. De esta manera la resolución de cada cuadro es de 45 grados. Si es necesario use los controles respectivos (POSITION) para centrar las señales en la pantalla. (Figura 2)


Figura 2. Ejemplo de adelanto en fase F de una señal (CH2) con respecto a una señal de referencia (CH2) e. Mida la distancia entre los puntos de cruce con el eje central horizontal de las dos señales. Usando la relación siguiente calcule la diferencia de fase: Defasamiento  (d1)(d 2)(180)

Figura 3. Ejemplo de adelanto en fase F de una señal (CH2) con respecto a una señal de referencia (CH1).


Modo muestreado con F=100 Hz.

Modo XY con F=100 Hz.

Modo muestreado con F=1000 Hz.

Modo XY con F=1000 Hz.


Modo muestreado con F=10000 Hz.

Modo XY con F=10000 Hz.


Obviamente la relación anterior debe ser modificada de acuerdo a la nueva resolución. Repita el procedimiento anterior para las frecuencias especificadas en la tabla 1. Anote los resultados calculados y dibuje las señales observadas en la escala respectiva de las figuras anteriores. Recuerde reportar si la señal en el canal 2 está adelantada o desfasada con respecto a la referencia. Lo anterior se obtiene trazando una línea vertical que una puntos particulares a ambas señales (figura 3) observando cual señal toma primero el valor más positivo dentro de sus pendientes positivas. Si la señal a analizar (CH2) es más positiva, significa que está adelantada con respecto a la señal de referencia. En caso contrario, la señal está atrasada. Valores de desfasamiento obtenidos en diversas frecuencias.

forma experimental para

Frecuencia Desfasamiento Muestreado (V-T) Lissajous (X-Y) 100 Hz 1000 Hz 10 000 Hz

Cambie el osciloscopio al modo X-Y con el mismo circuito experimental de la figura 1. Obtenga las curvas de Lissajous. Dibuje las formas de onda resultantes de la gráfica respectiva de las figuras anteriores y calcule el desfasamiento para las frecuencias especificadas en la tabla 1. El método de Lissajous establece la expresión siguiente para determinar el ángulo de desfasamiento entre dos señales:

 B

F  ArcSen A


Donde A y B son los parámetros especificados en la forma de onda resultante. Si la pendiente es positiva el ángulo está entre 0 y 90 grados y si la pendiente es negativa el ángulo está entre 90 y 180 grados.

Figura 4. Figuras de Lissajous para medir el desfasamiento entre dos señales.

NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)  de

El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador

  

textos (PC) sin excepción. Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia. No se aceptan copias fotostáticas del reporte final. La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.

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CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:

RECURSOS BIBLIOGRAFICOS:   

Fascinating I.C Projects, P.K. Aggarwal,Editorial BPB, 1990. Power Supplies for All Occasions, M.C. Sharma, Editorial BPB, 1990. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica Albella Martín, José María Pearson 2005  Electrónica: teoría de circuitos Boylestad, Robert L. Pearson 1997 Fundamentals of semiconductor devices Anderson, Betty Lise McGraw Hill 2005

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Generador de Ondas

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

PRACTICA 8

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INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN El ICL8038 es un circuito integrado monolítico capaz de producir formas de onda senoidales, cuadradas, triangulares, diente de sierra y pulsos con gran precisión. La frecuencia de la señal de salida puede seleccionarse, mediante los valores de los componentes externos, entre 0.001 Hz hasta 1Mhz. No obstante, el esquema que presentamos es un generador de funciones de audio que abarca el espectro de 20Hz hasta los 20KHz. Como que el integrado es, de hecho, un oscilador controlado por tensión, admite modulación de frecuencia a través del terminal 8, aunque en el circuito presentado esta característica no se encuentra operativa. El 8038 se encapsula en cinco versiones diferentes identificándose por los prefijos: AM, OM, AC, BC, CC. La primera letra (A,B o C) selecciona al chip en función de ciertas propiedades, tales como el encapsulado, distorsión, etc. La segunda letra identifica el margen de la temperatura de trabajo. El modelo con la letra C (comercial) abarca un margen de temperaturas desde cero hasta +70 grados centígrados y el modelo con la letra M (militar) abarca un margen de temperaturas de trabajo desde -55 grados centígrados hasta +125 grados centígrados.

INFORMACIÓN El generador de funciones es un equipo capaz de generar señales variables en el dominio del tiempo para ser aplicadas posteriormente sobre el circuito bajo prueba.

Las formas de onda típicas son las triangulares, cuadradas y senoidales. También son muy utilizadas las señales TTL que pueden ser utilizadas como señal de prueba o referencia en circuitos digitales. Otras aplicaciones del generador de funciones pueden ser las de calibración de equipos, rampas de alimentación de osciloscopios, etc.

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Aunque existen multitud de generadores de funciones de mayor o menor complejidad todos incorporan ciertas funciones y controles básicos que pasamos a describir a continuación. Generador de funciones:

1. Selector de funciones. Controla la forma de onda de la señal de salida. Como comentábamos puede ser triangular, cuadrada o senoidal. 2. 2. Selector de rango. Selecciona el rango o margen de frecuencias de trabajo de la señal de salida. Su valor va determinado en décadas, es decir, de 1 a 10 Hz, de 10 a 100, etc. 3. Control de frecuencia. Regula la frecuencia de salida dentro del margen seleccionado mediante el selector de rango. 4. Control de amplitud. Mando que regula la amplitud de la señal de salida. 5. DC offset. Regula la tensión continua de salida que se superpone a la señal variable en el tiempo de salida. 6. Atenuador de 20dB. Ofrece la posibilidad de atenuar la señal de salida 20 dB (100 veces) sobre la amplitud seleccionada con el control numero 4. 7. Salida 600ohm. Conector de salida que entrega la señal elegida con una impedancia de 600 ohmios. 8. Salida TTL. Entrega una consecución de pulsos TTL (0 - 5V) con la misma frecuencia que la señal de salida.

UTILIZACIÓN Lo primero que deberemos realizar será seleccionar el tipo de señal de salida que necesitamos (triangular, cuadrada o senoidal).

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A continuación se debe fijar la frecuencia de trabajo utilizando los selectores de rango y mando de ajuste. Muchos generadores de funciones modernos incorporan contadores de frecuencia que permiten un ajuste preciso, no obstante y en caso de ser necesario se pueden utilizar contadores de frecuencia externos, osciloscopios o incluso analizadores de espectros para determinar la frecuencia con mayor precisión. El siguiente paso será cargar la salida y fijar la amplitud de la señal así como la tensión de continua de offset siempre que sea necesaria, como en el caso del ajuste de frecuencia podemos utilizar distintos equipos de medida para ajustar el valor de amplitud. Para niveles de potencia bajos será necesario activar el atenuador interno del generador. Para evitar deformaciones en las señales de alta frecuencia es indispensable cuidar la carga de salida, evitar capacidades parásitas elevadas y cuidar las características de los cables. Objetivos de aprendizaje.  Comprender el funcionamiento de un generador de onda  Utilizar un osciloscopio con dos canales y una base de tiempo, para comprobar las señales de un generador de onda. Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA 

Que es osciloscopio

Partes de un osciloscopio

Funcionamiento de un osciloscopio

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EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: 1 Osciloscopio de dos canales Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim 1 Fuente Regulada de Voltaje de 15V

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO: 1 Protoboard 1 Integrado ICL8038 1 Potenciómetro P1 de 10K 1 Potenciómetro P2 de 500 1 Potenciómetro P3 de 47k 1 Potenciómetro RA3 de 100k 1 Potenciómetro RA2 de 100k 1 Potenciómetro RA1 de 10k 2 Amplificadores operacionales JFET TL082 4 Resistencias de 47K 1 Resistencia de 1.8K 1 Resistencia de 18K 4 Resistencias de 100k 2 Resistencias de 47 1 Resistencia de 4.7M 2 Interruptores 1 polo tres tiros 1 Interruptor 1 polo cinco tiros 2 Capacitores Cerámicos de 10 pF 1 Resistencia de 27k 2 Capacitores electrolíticos de 47  F 3 Capacitores Cerámicos de 100nF 1 Capacitor Electrolítico de 100uF 6 Resistencias de 10k 3 Resistencias de 3.3k 1 Resistencia de 33k 1 Resistencia de 22k UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 68


1 Resistencia de 50k 1 capacitor Cerámico de 10nF 1 Capacitor Cerámico de 1nF 1 Capacitor Electrolítico de 1uF 1 Capacitor Electrolítico de 10uF

PROCEDIMIENTO

Procedimiento: UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 69


Características técnicas: Alimentación: +/- 15V Consumo: 30mA Voltaje máximo de salida: 14Vpp Rango de frecuencias: 1Hz a 100KHz Formas de Onda: Cuadrada Triangular Senoidal Distorsión: < 1% Rangos: 5 Todo el instrumento radica en el integrado ICL8038 el cual es un oscilador controlado por tensión. Ya que el nivel de salida del integrado es fijo para cada forma de onda se ha incorporado otro circuito integrado formado por dos amplificadores operacionales de buena calidad cuya función es primeramente fijar la tensión de salida a 14Vpp para luego pasarla por una red resistiva que se encarga de entregar tres pasos de 5V, 0.5V y 0.05V respectivamente (seleccionable con S3). El ajuste fino de esta tensión se efectúa con el potenciómetro P3 el cual se recomienda sea multivueltas para darle mayor precisión al sistema. El ajuste de la distorsión se efectúa por medio de las resistencias ajustables RA2 y RA3, siendo estas para montaje en circuito impreso y del tipo multivueltas. El potenciómetro P2 permite ajustar la simetría de la señal, permitiendo corregir pequeños cambios causados por la tolerancia de los componentes. También se lo puede emplear para generar formas de onda deformadas como dientes de sierra y pulsos ultra estrechos. El control de la frecuencia de salida se realiza por medio del selector S1, que permite escoger entre rangos desde 1Hz hasta 100KHz, en múltiplos de 10. El potenciómetro P1 es el ajuste fino de dicha frecuencia. También es muy recomendable usar uno multivueltas. Se pueden instalar mas capacitores y un selector de mas posiciones para llegar hasta un capacitor de 1000µF que da la posibilidad de oscilar a 0.01Hz, aunque esto es poco usual queda a gusto del armador implementarlo o no. El potenciómetro P3 es el control de amplitud, el cual trabaja junto con S3 como selectora de escala o rango. El selector S2 permite escoger la forma de onda a obtener siendo T triangular, S senoidal y C cuadrada. Calibración del equipo: UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 70


Es una tarea si se quiere simple y fácil de realizar incluso sin disponer de un osciloscopio. Una vez conectada la tensión de alimentación comprobar que ésta este en +/-15V. A continuación se ajustará la simetría de la onda. Si tiene osciloscopio hay que conectar las puntas a la ficha de salida del generador. Una vez que la forma de onda sea visible, de la amplitud suficiente como para medirla, girar el cursor de P2 suavemente hasta que la onda visualizada sea simétrica. En caso de no disponer de un osciloscopio dejar todas las resistencias ajustables en la posición central. El ajuste de la distorsión se efectúa mediante las resistencias ajustables RA2 y RA3; la distorsión de mide sobre la onda senoidal. La obtención de dicha forma de onda se lleva a cabo por aproximación lineal por tramos, así que podría ocurrir que aparezcan líneas rectas; si RA2 y RA3 están próximas a su posición central es factible que no se aprecien dichas rectas. Para realizar una mejor aproximación puede tomarse como modelo la señal seno de la tensión alterna de distribución doméstica. Esto siempre y cuando el osciloscopio sea de doble traza. La tensión de off-set se ajusta mediante RA1. Puede comprobarse la tensión eficaz de la onda seno con un voltímetro. Hay que colocar el selector S3 en la posición 5V y se mide la tensión de la señal en una frecuencia no mayor a 10KHz para voltímetros digitales o 100Hz para voltímetros análogos. Variar RA1 hasta que la tensión medida sea 5V. Luego de esto el equipo estará correctamente calibrado y listo para operar. Nota de montaje (opcional): Colocar el equipo en un gabinete metálico para evitar que interferencias externas influyan sobre el desempeño del generador de funciones ICL8038.

NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)  de

El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador

  

textos (PC) sin excepción. Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia. No se aceptan copias fotostáticas del reporte final. La entrega del reporte final de la práctica es por alumno. UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 71


CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:

RECURSOS BIBLIOGRAFICOS:     

Fascinating I.C Projects, P.K. Aggarwal,Editorial BPB, 1990. Power Supplies for All Occasions, M.C. Sharma, Editorial BPB, 1990. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica Albella Martín, José María Pearson 2005 Electrónica: teoría de circuitos Boylestad, Robert L. Pearson 1997 Fundamentals of semiconductor devices Anderson, Betty Lise McGraw Hill 2005

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Circuitos RLC

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

PRACTICA 9

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INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN El modelo matemático de un sistema de segundo orden es una ecuación diferencial que puede escribirse como d 2 x(t ) dx(t )  2n  n2 x(t )  n2 f (t ) dt dt

en la cual al parámetro ξ se le denomina coeficiente de amortiguamiento, y al  n se le conoce como frecuencia angular natural de oscilación. La función f ( t ) es la entrada o función de excitación del sistema y x ( t ) es la salida o respuesta del mismo. La ecuación característica que corresponde al modelo matemático anterior es: 2

2

s + 2ξωns +ωn = 0 y cuyas raíces son los valores característicos: s1,2  n  n  2  1

Dependiendo del valor de ξ, dichos valores pueden ser reales, imaginarios o complejos, dando los siguientes comportamientos en la respuesta del sistema: Si   0 , entonces s1,2   jn (valores imaginarios), amortiguado (caso teórico ideal);

y el sistema será no

si 0 < ξ < 1, entonces s1,2  n  jn 1   2

complejos conjugados), y el sistema será subamortiguado; si ξ = 1, entonces s1,2  n (valores reales negativos iguales), y el sistema será críticamente amortiguado; finalmente, si ξ > 1, entonces s1,2  n  n  2  1 (valores negativos diferentes), y el sistema será sobreamortiguado.

Es importante el análisis cualitativo de los diferentes tipos de sistemas de segundo orden, de manera de poder reconocerlos a partir de la gráfica de su respuesta. Para el caso particular de los sistemas de segundo orden subamortiguados, presentan varios parámetros de interés en su respuesta, como lo son la frecuencia de oscilación y su inverso el periodo de oscilación, el sobrepaso, el tiempo de sobrepaso, el tiempo de levantamiento y el tiempo de asentamiento. UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 74


1 Frecuencia de oscilación, f, es el número de oscilaciones que tiene la respuesta del sistema por unidad de tiempo: f 

 2

  n 1   2

donde

2

Periodo de oscilación, T, es el tiempo que transcurre en una oscilación completa de la respuesta del sistema: T

3

1 f

Sobrepaso, Sp, es el valor máximo de la respuesta, considerando la respuesta permanente unitaria ( v f  1 ):   S p  exp    1  2 

4

Tiempo de sobrepaso, tp, es el tiempo necesario para que la respuesta alcance su valor máximo: tp 

5

 n 1   2

Tiempo de levantamiento, tl, es el tiempo necesario para que la respuesta alcance su valor final por primera vez: tl 

6

   

  n 1   2

, donde   arccos 

Tiempo de asentamiento, ta, es el tiempo que transcurre para que la respuesta oscile entre el 95% y el 105% de su valor permanente: ta 

3

n

En la Figura 1 se ilustran los parámetros mencionados en los párrafos anteriores.

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Figura 1. Parámetros de la respuesta de un sistema subamortiguado En el diseño de circuitos se presenta con frecuencia el problema de la obtención de los valores de los dispositivos eléctricos, en este caso del resistor, del inductor y del condensador, de tal forma que, dada la configuración del sistema, se obtenga una salida determinada. Dado que las cantidades ξ y ωn quedan en función de los valores de los dispositivos que conforman al circuito, es posible calcular los valores de estos últimos si se establece que la respuesta del sistema es críticamente amortiguada, o bien se conocen otros parámetros de diseño, como el periodo para el caso de la respuesta subamortiguada.

Objetivos de aprendizaje.  Verificar experimentalmente el valor de resistencia que se necesita para que un circuito RLC en serie sea críticamente amortiguado, y además corroborar el rango de valores que aquél puede tener para que el sistema tenga una respuesta subamortiguada o sobreamortiguada.  Para otra configuración diferente de circuito RLC verificar la relación que existe entre el valor de la resistencia del circuito y el tipo de respuesta que tiene el sistema eléctrico.  Corroborar con Multisim la respuesta de cada uno de los circuitos probados en esta práctica. Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA 

Que un circuito RLC

Tipo de respuestas de un circuito RLC UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 76


Interpretación de un circuito RLC en un osciloscopio

EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: 1 Osciloscopio de dos canales Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim 1 Generador de Funciones

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO: 1 Protoboard 1 R de 68 1 R de 180 1 R de 820 1 R de 1K 1 R de 1.8K 1 L de  50mH 1 Capacitor de 0.22 F

PROCEDIMIENTO El modelo matemático de un sistema de segundo orden es una ecuación diferencial que puede escribirse como d 2 x(t ) dx(t )  2n  n2 x(t )  n2 f (t ) dt dt

en la cual al parámetro ξ se le denomina coeficiente de amortiguamiento, y al  n se le conoce como frecuencia angular natural de oscilación. La función f ( t ) es la entrada o función de excitación del sistema y x ( t ) es la salida o respuesta del mismo. La ecuación característica que corresponde al modelo matemático anterior es: 2

2

s + 2ξωns +ωn = 0 y cuyas raíces son los valores característicos: s1,2  n  n  2  1 UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 77


Dependiendo del valor de ξ, dichos valores pueden ser reales, imaginarios o complejos, dando los siguientes comportamientos en la respuesta del sistema: Si   0 , entonces s1,2   jn (valores imaginarios), amortiguado (caso teórico ideal);

y el sistema será no

si 0 < ξ < 1, entonces s1,2  n  jn 1   2

complejos conjugados), y el sistema será subamortiguado; si ξ = 1, entonces s1,2  n (valores reales negativos iguales), y el sistema será críticamente amortiguado; finalmente, si ξ > 1, entonces s1,2  n  n  2  1 (valores negativos diferentes), y el sistema será sobreamortiguado.

Es importante el análisis cualitativo de los diferentes tipos de sistemas de segundo orden, de manera de poder reconocerlos a partir de la gráfica de su respuesta. Para el caso particular de los sistemas de segundo orden subamortiguados, presentan varios parámetros de interés en su respuesta, como lo son la frecuencia de oscilación y su inverso el periodo de oscilación, el sobrepaso, el tiempo de sobrepaso, el tiempo de levantamiento y el tiempo de asentamiento. 1 Frecuencia de oscilación, f, es el número de oscilaciones que tiene la respuesta del sistema por unidad de tiempo: f 

 2

donde

2

Periodo de oscilación, T, es el tiempo que transcurre en una oscilación completa de la respuesta del sistema: T

3

  n 1   2

1 f

Sobrepaso, Sp, es el valor máximo de la respuesta, considerando la respuesta permanente unitaria ( v f  1 ):   S p  exp    1  2 

4

   

Tiempo de sobrepaso, tp, es el tiempo necesario para que la respuesta alcance su valor máximo: tp 

 n 1   2 UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 78


5

Tiempo de levantamiento, tl, es el tiempo necesario para que la respuesta alcance su valor final por primera vez: tl 

6

  n 1   2

, donde   arccos 

Tiempo de asentamiento, ta, es el tiempo que transcurre para que la respuesta oscile entre el 95% y el 105% de su valor permanente: ta 

3

n

En la Figura 1 se ilustran los parámetros mencionados en los párrafos anteriores.

Figura 2. Parámetros de la respuesta de un sistema subamortiguado En el diseño de circuitos se presenta con frecuencia el problema de la obtención de los valores de los dispositivos eléctricos, en este caso del resistor, del inductor y del condensador, de tal forma que, dada la configuración del sistema, se obtenga una salida determinada. Dado que las cantidades ξ y ωn quedan en función de los valores de los dispositivos que conforman al circuito, es posible calcular los valores de estos últimos si se establece que la respuesta del sistema es críticamente amortiguada, o bien se conocen otros parámetros de diseño, como el periodo para el caso de la respuesta subamortiguada.

Procedimiento: UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 79


a) Medición de la resistencia interna del generador de funciones

Ajuste con ayuda de un osciloscopio la salida de un generador de funciones, de manera que se obtenga una señal cuadrada con 5 V de valor pico (en caso de que no sea posible, ajústelo al valor entero mayor que pueda obtener del equipo). Dado que el osciloscopio tiene una resistencia interna muy grande del orden de 1 MΩ, el voltaje medido corresponderá al de la fuente ideal, pues la caída de potencial en la resistencia interna es prácticamente nula. Conecte un resistor a la salida del generador de funciones, y vuelva a medir con el osciloscopio el voltaje pico en las terminales del generador. La diferencia de los valores corresponderá a la caída de potencial en la resistencia interna, y dado que se establece un circuito divisor de voltaje, será posible determinar el valor de la resistencia interna de dicho generador de funciones. b) Medición de la resistencia interna del inductor Conecte en serie un inductor y un multímetro, ajustado de manera que pueda emplearse como amperímetro. Aplique al conjunto anterior la salida de una fuente de voltaje de 5 V, corroborando su valor con ayuda del osciloscopio. Entonces, la resistencia interna del inductor se podrá obtener con la división del valor de dicho voltaje entre la lectura de la corriente obtenida con el multímetro. c) Medición de la inductancia Conecte al inductor las terminales del generador de funciones, con una señal cuadrada de 5 V pico y con una frecuencia de 200 Hz. Verifique con el osciloscopio la señal de voltaje de dicho inductor, y determine el tiempo en que se obtiene una variación del 63.2% de la diferencia del valor final y el valor inicial. Dicho valor es la constante de tiempo del circuito RL, la cual debe ser igual a: 

L R

Dado que se conoce R, el cual es la suma de las resistencias internas del generador de funciones y del inductor, es posible determinar el valor de la inductancia L. d) Armado del circuito del experimento 1 Arme el circuito mostrado en la Figura 2 con un resistor con un valor de resistencia de R = 68 Ω. Note que las resistencias rg y rL son las resistencias internas del generador de funciones y del inductor, respectivamente. Aplique una señal cuadrada con una amplitud de 5 V pico y una frecuencia de 200 Hz. Observe en el osciloscopio la señal de salida del circuito, VC , y verifique el tipo de sistema al que corresponda (subamortiguado, sobreamortiguado, críticamente amortiguado).

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Figura 2 Circuito RLC en serie. Posteriormente cambie el resistor por uno que tenga una resistencia de R = 820 Ω, y de igual manera verifique el tipo de sistema al que corresponde su respuesta. Finalmente realice la misma operación, pero para un resistor con una resistencia de R = 1.8 kΩ. Para el circuito cuya respuesta corresponda a un sistema subamortiguado, mida el periodo, T, del transitorio, el sobrepaso, Sp, el tiempo de sobrepaso, tp, el tiempo de levantamiento, tl, y el tiempo de asentamiento, ta. Para los circuitos cuya respuesta corresponda a sistemas críticamente amortiguado o sobreamortiguado, mida los tiempos en que el voltaje de salida, V0 , alcanza el 50% y el 90% del valor de estado permanente. e) Armado del circuito del experimento 2 Arme el circuito mostrado en la Figura 3 con un resistor con un valor de resistencia de R = 68 Ω. Nuevamente aplique una señal cuadrada con una amplitud de 5 V pico y una frecuencia de 200 Hz. Observe en el osciloscopio la señal de salida del circuito, vC, y establezca a qué el tipo de sistema corresponde el sistema eléctrico analizado (subamortiguado, sobreamortiguado o críticamente amortiguado. Cambie el resistor por un con resistencia de R = 180 Ω, posteriormente por otro con resistencia de R = 1 kΩ, y de manera similar al experimento 1, determine a qué tipo de sistema eléctrico corresponde cada uno de los casos observados.

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Figura 3 Circuito RLC en derivación. Informe a) Anote los valores obtenidos para la medición de la resistencia interna del generador de funciones, y escriba el proceso que siguió para determinar dicha resistencia. b) De manera similar, registre los valores que midió para la determinación de la resistencia interna del inductor, y obtenga su valor. c) Dibuje la señal que obtuvo en el osciloscopio para el cálculo de la inductancia, acotando los valores máximo y mínimo del voltaje en el inductor, así como el tiempo y su respectivo valor de voltaje en el punto en que se midió el 63.2% de la diferencia de los valores final e inicial. Obtenga el valor de la inductancia medida con base en el procedimiento anterior. d) Obtenga con Multisim las respuestas de los tres circuitos del experimento 1, conectando una fuente de voltaje VPULSE con un valor inicial de 0, valor de pulso de 5, tiempo de retraso de 0, tiempos de levantamiento y de caída de 1 us (µs), un ancho de pulso de 2.5 ms y un periodo de 5 ms, e imprima las gráficas de los voltajes de salida VC , para cada uno de los casos. Acote en la gráfica correspondiente los parámetros obtenidos en los incisos.

NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)

 

 El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador de textos (PC) sin excepción.  Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia. No se aceptan copias fotostáticas del reporte final. La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.

CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:

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RECURSOS BIBLIOGRAFICOS:   

Dorf, Svoboda, Circuitos eléctricos, Quinta edición, Alfaomega, México, 2003. Desoer, Kuh, Basic Circuit Theory, McGraw-Hill, EUA, 1969. Ogata, Dinámica de Sistemas, Prentice Hall Hispanoamericana, México, 1987.

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Temporizador de tres rangos con Relé

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

PRACTICA 10

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INTRODUCCIÓN En electrónica se llama temporizador a un circuito que controla la duración del tiempo de un proceso. Los hay muy simples, desde los que tienen pocos componentes y funciones sencillas, hasta los sofisticados con micro controladores, teclados y pantallas digitales. Este circuito le permitirá controlar el tiempo de encendido y apagado de aparatos eléctricos y electrónicos, o le servirá como señalización cuando así lo requiera. El tiempo se puede ajustar en tres rangos de 1 a 15s, de 1 a 132s (2min 125s) y de 1 a 1,200s (20min). Dentro de cada rango se puede ajustar el tiempo preciso de temporización, por medio de un potenciómetro. En algunas ocasiones nos encontramos con la necesidad de emplear aparatos que no deben trabajar sino un determinado tiempo y permanecer apagados después, lo cual es muy común en las industrias (control de motores, resistencias calentadoras, etc.), en ciertas ocasiones hogareñas (hornos, calentadores, etc.), o en casos especiales. Uno de ellos, por ejemplo, son las incubadoras empleadas en los criaderos de pollos donde a los pollitos recién salidos de su cascarón se les coloca una bombilla que les proporciona calor que ellos necesitan para sobrevivir los primeros días; allí es muy útil el empleo de un circuito que controle el encendido y apagado de la lámpara automáticamente, y con duración determinada. Otras aplicaciones para este proyecto pueden ser como señalización en parqueadores, o en la carretera cuando un automóvil esta averiado, pues este circuito puede ser conectado a la batería del automóvil mediante un cable lo suficientemente largo como para que quede instalado a una distancia prudente del automóvil, o simplemente para indicar de manera vistosa que un equipo o aparato esta encendido. En la figura 1 se muestra el diagrama esquemático del circuito y la función de cada uno de los principales componentes.

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Figura 1. Diagrama esquemático del temporizador

INFORMACIÓN

Como lo mencionamos, los temporizadores son circuitos que generan intervalos definidos de tiempo. En este caso se utiliza como elemento principal un circuito integrado 555. En sus pines de entrada la pata numero 6 y 7 se conectan a una resistencia variable (P1) por la cual circula una corriente que va cargando el condensador (c1, C2 ó C3). Incialmente, cuando se presiona el pulsador S1, e¿l apata 3 del 555 entrega un voltaje alto, el transistor Q1 conduce y el rele activa la carga. Cuando se alcanza un determinado voltaje en el punto A, el circuito integrado no entrega voltaje en al pata 3 de salida, loc ual hace cortar al transistor y asu vez desactiva el rele y desconecta la carga. El tiempo de carga depende del valor del potenciometro P1 y del condensador que este conectado en ese momento. Entre mayor sea el valor de estos componentes, mayores serán los periodos de tiempo y viceversa. Por eso el máximo tiempo se obtiene UNITEC | INGENIERÍA MECATRÓNICA 86


cuando el potenciometro tiene un valor de 1M y esta conectado al condensador de 1000 F (aproximadamente 20 minutos). Objetivos de aprendizaje.  Comprender el funcionamiento de un 555  Utilizar un osciloscopio con dos canales y una base de tiempo, para comprobar las señales de entrada y salida del circuito.  Interpretar el Datasheet o hoja de especificaciones de un 555. Materiales provistos por el laboratorio

INVESTIGACIÓN PREVIA 

Que es un oscilador

Que es un multivibrador Astable y Monoestable

Que aplicaciones tiene un Timer 555

EQUIPO: ALU MNO:

UNIVERSIDAD: 1 Osciloscopio de dos canales Juego de Puntas Necesarias a criterio del alumno (Caimán - Caimán, BNCBNC,BNC –Caimán, Caimán – Banana, Banana - Banana) 1 Computadora con Multisim 1 Fuente Regulada de Voltaje de 15V

MATERIALES: UNIVERSIDAD:

ALUMNO: 1 Protoboard 1 Transistor NPN 2N3904 (Q1) 1 Condensador de 10  f / 16V (C1) 1 Condensador de 100  f / 16V (C 2) 1 Condensador de 1000  f / 16V (C 3) 1 Condensador de 0.01 f / 16V (C 4) 1 Resistencia de 10k ( R1)

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1 Resistencia de 4.7k ( R 2) 1 Diodo 1N4148 (D1) 1 Potenciómetro de 1M 1 Relé de 12V 1 Circuito Integrado IC1(555) 1 base de 8 pines para circuito integrado 1 Interruptor pulsador (S1) 1 Puente o jumper de dos pines 3 Conectores tipo cerca de dos pines para el jumper 6 Resistencias de 10k

PROCEDIMIENTO 1. Antes de empezar a ensamblar el circuito debe estar seguro de que posee todos los componentes y materiales necesarios. Para ello, revise con cuidado la lista de los materiales adjunta. De esta forma el trabajo se hace más rápido. 2. Proceda a ensamblarlo. 3. Una vez ensamblado el circuito, revise detenidamente que todas las conexiones hayan sido hechas correctamente. Como parte opcional Conecte un foco al circuito, como como se muestra la figura 1 y la carga y ajuste deseado con el selector, y el tiempo con el potenciómetro. Presione el pulsador, el foco se debe encender durante un tiempo determinado al cabo del cual se debe apagar. Variando la posición del potenciómetro, debe cambiar el tiempo. Si no es así, revise las conexiones y la posición de los componentes, especialmente la del circuito integrado. 4. Por ultimo simúlelo en Multisim y obtenga sus conclusiones.

NOTAS PARA LOS ALUMNOS: (OPTATIVO)  de

El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador

  

textos (PC) sin excepción. Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia. No se aceptan copias fotostáticas del reporte final. La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.

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CONCLUSIONES DE APRENDIZAJE:

RECURSOS BIBLIOGRAFICOS:     

Fascinating I.C Projects, P.K. Aggarwal,Editorial BPB, 1990. Power Supplies for All Occasions, M.C. Sharma, Editorial BPB, 1990. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica Albella Martín, José María Pearson 2005 Electrónica: teoría de circuitos Boylestad, Robert L. Pearson 1997 Fundamentals of semiconductor devices Anderson, Betty Lise McGraw Hill 2005

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Manual de Practicas