U.N.M.S.M

Fac. de Ingeniería Electrónica y Eléctrica

APELLIDOS Y NOMBRES MATRICULA

Cenepo Tapia, José Antonio 05190174

Cristóbal Cupitay, Jeannet Pilar 06190158

Pereda Palacios, Deisy Maribel 06190179

Torres Víctor, José Luis 04190250

CURSO TEMA

Instrumentación de Corriente Lab. de Dispositivos Electrónicos Alterna

INFORME FECHAS NOTA

FINAL Realización Entrega

NUMERO 24 de 8 de

2 ABRIL MAYO

GRUPO PROFESOR

“L” (MARTES 2 – 4 p.m.) Ing. LUIS PARETTO

I. INSTRUMENTACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA

II. OBJETIVOS:

1. Aprender y conocer el manejo de los diferentes controles que posee el osciloscopio.

2. Aprender a realizar la medida de los parámetros electrónicos que puede brindar un osciloscopio

III. INTRODUCCION TEORÍCA:

Corriente alterna

Figura 1: Onda senoidal.

Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.

EXPERIMENTO 2

Historia

En 1882 el físico, matemático, ingeniero eléctrico, inventor y genio Nikola Tesla, diseñó y construyó el primer motor de inducción de AC. Posteriormente el físico Guillermo Stanley, reutilizó, en 1885, el principio de inducción para transferir la CA entre dos circuitos eléctricamente aislados. La idea central fue la de enrollar un par de bobinas en una base de hierro común, denominada bobina de inducción. De este modo se obtuvo lo que sería el precursor del actual transformador. El sistema usado hoy en día fue ideado fundamentalmente por Nikola Tesla, la distribución de la corriente alterna fue comercializada por George Westinghouse. Otros que contribuyeron en el desarrollo y mejoramiento de este sistema fueron Lucien Gaulard, Juan Gibbs y Oliver Shallenger entre los años a 1881 a 1889. La corriente alterna supero las limitaciones que aparecían al emplear la corriente continua (CC), la cual era un sistema ineficiente para la distribución de energía a gran escala comercializado por Thomas Edison.

La primera transmisión interurbana de la corriente alterna ocurrió en 1891, cerca de Telluride, Colorado, a la que siguió algunos meses más tarde otra en Alemania. A pesar de las notorias ventajas de la CA frente a la CC, Thomas Edison siguió abogando fuertemente por el uso de la corriente continua, de la que poseía numerosas patentes (véase la guerra de las corrientes). Utilizando corriente alterna, Charles Proteus Steinmetz, de General Electric, pudo solucionar muchos de los problemas asociados a la producción y transmisión eléctrica. Edison a pesar de patentar la silla eléctrica (la cual usaba corriente alterna) para causar miedo a la población, así como electrocutar elefantes y perros en las calles de New York, para nada le sirvieron. Al final perdió la batalla de las corrientes y el ganador fue Nikola Tesla y, por ende, George Westinghouse.

Corriente alterna frente a continua

La razón del amplio uso de la corriente alterna viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la corriente continua.

La energía eléctrica viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, podemos, mediante un transformador, elevar el voltaje hasta altos valores (alta tensión). Con esto la misma energía puede ser distribuida a largas distancias con bajas intensidades de corriente y, por tanto, con bajas pérdidas por causa del efecto Joule. Una vez en el punto de utilización o en sus cercanías, el voltaje puede ser de nuevo reducido para su uso industrial o doméstico de forma cómoda y segura.

Las matemáticas y la CA senoidal

Algunos tipos de ondas periódicas tienen el inconveniente de no tener definida su expresión matemática, por lo que no se puede operar analíticamente con

ellas. Por el contrario, la onda senoidal no tiene esta indeterminación matemática y presenta las siguientes ventajas:

La función seno está perfectamente definida mediante su expresión analítica y gráfica. Mediante la teoría de los números complejos se analizan con suma facilidad los circuitos de alterna.

Las ondas periódicas no senoidales se pueden descomponer en suma de una serie de ondas senoidales de diferentes frecuencias que reciben el nombre de armónicos. Esto es una aplicación directa de las series de Fourier.

Se pueden generar con facilidad y en magnitudes de valores elevados para facilitar el transporte de la energía eléctrica.

Su transformación en otras ondas de distinta magnitud se consigue con facilidad mediante la utilización de transformadores.

Onda sinusoidal

Figura 2: Parámetros característicos de una onda senoidal

Una señal sinusoidal, a (t), tensión, v (t), o corriente, i (t), se puede expresar matemáticamente según sus parámetros característicos (figura 2), como una función del tiempo por medio de la siguiente ecuación:

Donde

A0 es la amplitud en voltios o amperios (también llamado valor máximo o de pico), ω la pulsación en radianes/segundo, t el tiempo en segundos, y β el ángulo de fase inicial en radianes.

Dado que la velocidad angular es más interesante para matemáticos que para ingenieros, la fórmula anterior se suele expresar como:

Donde f es la frecuencia en hercios (Hz) y equivale a la inversa del período (f=1/T). Los valores más empleados en la distribución son 50 Hz y 60 Hz.

Valores significativos

A continuación se indican otros valores significativos de una señal sinusoidal:

Valor instantáneo (a (t)): Es el que toma la ordenada en un instante, t, determinado.

Valor pico a pico (App): Diferencia entre su pico o máximo positivo y su pico negativo. Dado que el valor máximo de sen(x) es +1 y el valor mínimo es -1, una señal sinusoidal que oscila entre +A0 y -A0. El valor de pico a pico, escrito como AP-P, es por lo tanto (+A0)-(-A0) = 2×A0.

Valor medio (Amed): Valor del área que forma con el eje de abscisas partido por su período. El área se considera positiva si está por encima del eje de abscisas y negativa si está por debajo. Como en una señal sinusoidal el semiciclo positivo es idéntico al negativo, su valor medio es nulo. Por eso el valor medio de una onda sinusoidal se refiere a un semiciclo. Mediante el cálculo integral se puede demostrar que su expresión es la siguiente:

Valor eficaz (A): su importancia se debe a que este valor es el que produce el mismo efecto calorífico que su equivalente en corriente continúa. Matemáticamente, el valor eficaz de una magnitud variable con el tiempo, se define como la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de los valores instantáneos alcanzados durante un período:

En la literatura inglesa este valor se conoce como R.M.S. (root mean square, valor cuadrático medio). En el campo industrial, el valor eficaz es de gran importancia ya que casi todas las operaciones con magnitudes energéticas se hacen con dicho valor. De ahí que por rapidez y claridad se represente con la letra mayúscula de la magnitud que se trate (I, V, P, etc.). Matemáticamente se demuestra que para una corriente alterna senoidal el valor eficaz viene dado por la expresión:

El valor A, tensión o intensidad, es útil para calcular la potencia consumida por una carga. Así, si una tensión de corriente continua (CC), VCC, desarrolla una cierta potencia P en una carga resistiva dada, una tensión de CA de Vrms desarrollará la misma potencia P en la misma carga si Vrms = VCC.

Para ilustrar prácticamente los conceptos anteriores se coincida, por ejemplo, la corriente alterna en la red eléctrica doméstica en Europa: cuando se dice que su valor es de 230 V CA, se está diciendo que su valor eficaz (al menos nominalmente) es de 230 V, lo que significa que tiene los mismos efectos caloríficos que una tensión de 230 V de CC. Su tensión de pico (amplitud), se obtiene despejando de la ecuación antes reseñada:

Así, para la red de 230 V CA, la tensión de pico es de aproximadamente 325 V y de 650 V (el doble) la tensión de pico a pico. Su frecuencia es de 50 Hz, lo que equivale a decir que cada ciclo de la onda sinusoidal tarda 20 ms en repetirse. La tensión de pico positivo se alcanza a los 5 ms de pasar la onda por cero (0 V) en su incremento, y 10 ms después se alcanza la tensión de pico negativo. Si se desea conocer, por ejemplo, el valor a los 3 ms de pasar por cero en su incremento, se empleará la función sinusoidal:

Representación faso rial

Una función senoidal puede ser representada por un vector giratorio (figura 3), al que se denomina fasor o vector de Fresnel, que tendrá las siguientes características:

Girará con una velocidad angular ω. Su módulo será el valor máximo o el eficaz, según convenga.

Figura 3: Representación fasorial de una onda senoidal

La razón de utilizar la representación fasorial está en la simplificación que ello supone. Matemáticamente, un fasor puede ser definido fácilmente por un

número complejo, por lo que puede emplearse la teoría de cálculo de estos números para el análisis de sistemas de corriente alterna.

Consideremos, a modo de ejemplo, una tensión de CA cuyo valor instantáneo sea el siguiente:

Figura 4: Ejemplo de fasor tensión (E. P.: eje polar).

Tomando como módulo del fasor su valor eficaz, la representación gráfica de la anterior tensión será la que se puede observar en la figura 4, y se anotará:

Denominadas formas polares, o bien:

Denominada forma binómico.

Corriente trifásica

Figura 5: Distintas fases de una corriente trifásica.

La generación trifásica de energía eléctrica es la forma más común y la que provee un uso más eficiente de los conductores. La utilización de electricidad en forma trifásica es común mayoritariamente para uso en industrias donde muchas de las máquinas funcionan con motores para esta tensión.

La corriente trifásica está formada por un conjunto de tres formas de onda, desfasadas una respecto a la otra 120 grados, según el diagrama que se muestra en la figura 5.

Las corrientes trifásicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, arrolladas sobre tres sistemas de piezas polares equidistantes entre sí. El retorno de cada uno de estos circuitos o fases se acopla en un punto, denominado neutro, donde la suma de las tres corrientes, si el sistema está equilibrado, es cero, con lo cual el transporte puede ser efectuado usando solamente tres cables.

Esta disposición sería la denominada conexión en estrella, existiendo también la conexión en triángulo o delta en las que las bobinas se acoplan según esta figura geométrica y los hilos de línea parten de los vértices.

Existen por tanto cuatro posibles interconexiones entre generador y carga:

1. Estrella - Estrella 2. Estrella - Delta 3. Delta - Estrella 4. Delta - Delta

En los circuitos tipo estrella, las corrientes de fase y las corrientes de línea son

iguales y los voltajes de línea son veces mayor que los voltajes de fase y están adelantados 30° a estos:

En los circuitos tipo triángulo o delta, pasa lo contrario, los voltajes de fase y de

línea, son iguales y la corriente de fase es veces más pequeña que la corriente de línea y está adelantada 30° a esta:

El sistema trifásico es un tipo particular dentro de los sistemas polifásicos de generación eléctrica, aunque con mucho el más utilizado

IV. MATERIAL Y EQUIPO:

1. Dos generadores de audio.

Un generador de audio es un instrumento que proporciona señales eléctricas.

2. Dos cajas décadas de resistencias.

3. Un Multímetro digital.

Los multímetros digitales se identifican principalmente por un panel numérico para leer los valores medidos, la ausencia de la escala que es común en los analógicos.

Lo que si tienen es un selector de función y un selector de escala (algunos no tienen selector de escala pues el VOM la determina automáticamente).

Algunos tienen en un solo selector central.

El selector de funciones sirve para escoger el tipo de medida que se realizará.

Multímetro Digital:Marca: Fluke Nº de serie: 64680428

4. Osciloscopio de rayos catódicos

Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo.

5. Cables y conectores.

Los cables cuyo propósito es conducir electricidad se fabrican generalmente de cobre, aunque también se utiliza el aluminio, y suelen estar rodeados de un material aislante con el propósito de proteger el material y evitar el riesgo de electrocución.

En las aplicaciones corrientes sólo se emplean cables sin recubrimiento protector cuando es imposible un contacto accidental con ellos (líneas aéreas por ejemplo).

6. Resistores.

Se denomina resistencia eléctrica, R, a una serie de elementos, que comienzan de una sustancia, a la oposición que encuentra la corriente eléctrica para recorrerla. Su valor viene dado en ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se mide con el Óhmetro.

V. PROCEDIMIENTO:

1. Manejo de los controles que posee el osciloscopio.

a. Conectar el osciloscopio a la línea. Luego proceda a su encendido.

b. Conectar la punta de prueba a uno de los canales y luego seleccionar ese canal en el osciloscopio.

c. Ajustar los controles de posición horizontal (X) y de posicionamiento vertical (Y) de tal modo que aparezca un haz horizontal en el centro de la pantalla.

d. Ajustar la intensidad y la focalización del haz horizontal en la pantalla.

e. Ajustar los controles de selección de barrido (tiempo/div) y de amplitud (voltios/div) de tal manera que se pueda visualizar la señal de calibración del osciloscopio.

2. Medición de parámetros eléctricos en un circuito por medio de un osciloscopio.

a. Conectar un generador de audio a la línea. Proceder a su encendido.

b. Seleccionar una señal sinuosidad, ajustando su amplitud a unos 10V pico a pico y con frecuencia de 500Hz.

c. Armar el siguiente circuito.

Valor de la fuente de voltaje = 10 v

Descripción Teórico Medido ErrorV 10 v 9.9 v 1 %

VBC 6.782 v 6.7 v 1.2 %R1 10 x 10² ± 10% Ω 1.110 kΩ 11 %R2 22 x 10² ± 10% Ω 2.347 kΩ 6.68 %

d. Conectar el punto común de la prueba del osciloscopio al punto C del circuito.

e. Conectar el canal Y seleccionado al punto B del circuito.

f. Medir la amplitud, frecuencia y forma de onda en el osciloscopio.

El período de la onda se calcula con ayuda de la siguiente ecuación:

P= (# div.Horizontal). (Rango tiempo/divisiones)

En el osciloscopio se observa:

# div.Horizontales = 4

rango = 0.5 ms/div.

P= 2 ms frecuencia=(2x10-3)=500Hz

Resultado que está enteramente de acuerdo con la frecuencia de salida. La forma de onda fue sinusoidal.

3. Obtención de las figuras de Lissajous.

a. En el circuito anterior, proceder a conectar los bornes X e Y del osciloscopio como sigue:

- En el punto común del osciloscopio en el punto B.

- El canal Y del osciloscopio en el punto C.

Amplitud Y = 0.25 Hz

- El canal X del osciloscopio en el punto A.

Amplitud X= 0.5 Hz

b. Seleccionar la posición X-Y en el control de barrido para obtener una figura de lissajous.

c. Obtención de las figuras de lissajous con dos generadores de audiofrecuencia.

- Ajustar la señal de un generador a 10V pp y una frecuencia de 1KHz.

- Ajustar la señal sinuosidad del otro generador a 10 V pp y una frecuencia de 2KHz.

- Conectar el primer generador al canal X del osciloscopio.

- Conectar el segundo generador al canal Y del osciloscopio.

- Seleccionar la posición X-Y en el control de barrido para obtener una figura de Lissajous.

- Variar las frecuencias de los generadores, tales que estén en las proporciones de: 2 a 3, 1 a 3 , 2 a 5 , 1 a 4; y ajustar los controles del osciloscopio para obtener las figuras de Lissajous respectivas.

CUESTIONARIO FINAL:

1. Hacer un grafico de la señal de calibración del osciloscopio, Indicando su amplitud, frecuencia y forma de onda.

A= 2, 4x0, 2=0,48v T=2, 4x0, 5=1,2ms f=1/T=1/1, 2 = 0,833 KHz

2. Explicar las diferencias que existen entre las posiciones DC y AC del Interruptor de selección para cada uno de los canales.

El selector AC-GND-DC, es muy importante. Permite visualizar la señal que se mide según la necesidad.La mayoría de las señales (formas de onda) a medir (visualizar) tienen tanto un componente en corriente continua (CD), como un componente en corriente alterna (AC). En algunas ocasiones sólo se desea ver la componente AC en otras no.

Posición AC:

Esta posición permite ver sólo la componente de corriente alterna de la señal que se mide, eliminando la componente DC, si la tuviera.Para lograrlo hay en serie con el terminal de entrada de cada canal del osciloscopio un condensador (capacitor) de gran valor, bloqueando la componente DC. (Acordarse que un capacitor no permite el paso de la corriente directa)Esta posición permite ver, por ejemplo, el rizado de una fuente de tensión, eliminando la componente DC que ésta tiene a la salida.El inconveniente que existe con este tipo de medición es que cuando se hace a bajas frecuencias, deforma la forma de onda de la señal medida, debido a la carga y descarga del capacitor de bloqueo (el condensador de gran valor mencionado anteriormente).

Posición DC:

En esta posición la señal que se desea medir se presenta exactamente como es. (Una combinación de AC y DC).Hay que tener cuidado y tomar en cuenta que la componente DC de la señal (que se elimina en la medición AC), puede tener un valor grande y cause que la señal en la pantalla no se pueda ver. Para resolver el problema se establece la escala de medición vertical de forma adecuada.

Dados los conceptos de posición AC y DC, establecemos que:

a) La posición DC se usa para trabajar con corriente continua y la posición AC para la corriente alterna.

b) A diferencia de la posición AC la posición DC solo se puede trabajar con bajas frecuencias ya que la posición AC deforma la forma de onda de la señal medida, debido a la carga y descarga del capacitor de bloqueo.

c) Para trabajar con la posición AC se elimina la componente DC mientras que en la DC se presenta exactamente como es (Una combinación de AC y DC).

3. Dibujar las figuras de lissajous obtenidas en el paso (3) del Procedimiento.

1:2

2:3

1:3

2:5

1:4

4. Desarrolle sus conclusiones acerca del experimento.

El funcionamiento de unos osciloscopios es análogo al de un voltímetro, debido a que en él se pueden medir voltaje (voltaje pico y voltaje pico a pico).

Se puede verificar las formas de las figuras de Lissajous correspondientes a relaciones de frecuencias comunes.

Hemos verificado que la ley de Ohm sigue siendo aún válida en los circuitos con corriente alterna.

VI) CONCLUSIONES

Luego de haber realizado los diversos procedimientos tanto teórico como experimental puedo concluir y recomendar lo siguiente:

1.- El uso de los diversos equipos debe ser siempre acompañado de un guía.

2.- En los laboratorios señalados, las normas de seguridad no son las deseadas, por ello se debe trabajar con cuidado.

3.- Muchas de las máquinas no cuentan con conexión a tierra y los muebles en las que se encuentran no poseen aislantes, por ello nosotros los alumnos debemos realizar los trabajos que el profesor indique.

4.- Los laboratorios de electrónica y eléctrica, no cuentan con máquinas de última generación y tampoco están lo suficientemente equipadas, pero esto no es razón ni un impedimento para que se formen buenos ingenieros, para ello es necesario aprovechar al máximo los equipo con los que se cuenta.

VII) BIBLIOGRAFÍA:

- http://www.unicrom.com

- http://es.wikipedia.org

- Guía para mediciones electrónicas y prácticas de laboratorio. Stanley Wolf y Richard Smith.