practica 1 - osciloscopio y circuitos

1

‐ ‐

Práctica 1 – Instrumentación electrónica y circuitos básicos Fundamentos Físicos

PRÁCTICA 1 A.‐ Instrumentación electrónica y componentes básicos

El objetivo de esta práctica es conocer la instrumentación empleada en el Laboratorio de Electrónica: el osciloscopio, el multímetro (voltímetro, amperímetro y óhmetro), el generador de señales y el entrenador (con conexiones para realizar circuitos, fuentes de alimentación, etc.).

Osciloscopio El osciloscopio es un instrumento de visualización gráfica que permite observar señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical representa el voltaje, mientras que el eje horizontal representa el tiempo. Se usa un sistema de sincronización por disparo (trigger), el cual marca el inicio del barrido horizontal y por tanto fija el punto donde comienza la representación de la señal y permite su estabilización en la pantalla.

Osciloscopio Multímetro

Generador

de señales

Entrenador

Disparo (trigger): Se usa para sincronizar la imagen (seleccionando el canal con el cual se

sincroniza y la tensión de partida)

Ajuste vertical de los 2 canales: Se usa para ajustar el rango y la posición en

el eje vertical (voltaje)

Base de tiempos Se usa para ajustar el

rango y la posición en el eje horizontal (tiempo)

2

‐ ‐


Selección de acoplamiento de la señal de entrada

El osciloscopio posee dos canales, por lo que será posible visualizar dos señales diferentes. Para ello, se conecta la sonda al punto cuya tensión se quiere representar, y la pinza (contacto de tierra) al punto que se quiera tomar como referencia de voltajes. IMPORTANTE: Los contactos de referencia de los dos canales están conectados entre sí, por lo que sólo será posible representar dos diferencias de tensión con respecto a un mismo punto. Los controles de ajuste horizontal y vertical nos permiten ajustar la visualización de los dos canales y realizar medidas

de frecuencia (f=1/T=/2) y amplitud de las señales, teniendo en cuenta los valores de Voltios/div y Tiempo/div seleccionados. Sin embargo, para que las medidas sean correctas hay que verificar siempre que los controles estén en posición de calibrado (tanto en el eje vertical como en el horizontal, el mando de rango variable debe estar colocado en CAL). Para averiguar en qué punto de la pantalla se sitúa nuestra referencia (V=0 V, que es diferente para cada canal) es necesario hacer uso del mando de acoplamiento de la señal de entrada, y colocarlo en posición GND (ground=tierra). Una vez colocada la referencia en una posición conocida (por medio del mando de desplazamiento vertical), la posición DC nos permitirá representar la señal completa, mientras que la posición AC eliminará su componente de continua (offset), haciendo que su valor medio sea nulo.

Referencias: Funcionamiento del osciloscopio (Universidad de Granada): http://www.youtube.com/watch?v=wVXOIwtkFZk

http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso03‐04/cce/practicas/manuales/osciloscopio/osciloscopio.htm

Referencia (tierra)

Sonda de medida de tensión

Periodo T (s) (nº de divisiones) x (Time/div)

Voltaje pico a pico (V) (nº de divisiones) x (Volts/div)

Time/div Volts/div (CH1)

Volts/div (CH2)

Selección de Visualización: CH1, CH2, Dual, Suma (CH1+CH2)

1 división

Calibrado Calibrado

3

‐ ‐


Multímetro

El multímetro es un instrumento de medición de valores medios (o eficaces en AC) de voltajes, corrientes o

resistencias.

Téngase en cuenta que las unidades del valor mostrado en el visualizador pueden variar dependiendo del

rango elegido (indicadas en el botón correspondiente).

Generador de Señales

El generador de señales es un instrumento que permite generar señales eléctricas variables en el tiempo

con diversas formas de onda, amplitud y frecuencia.

La sonda de salida, como la del osciloscopio, tiene también dos terminales, y ambos deben ser conectados

ya que estamos aplicando una diferencia de potencial entre ellos.

Selector de medida en AC/DC

Selector de medida de Resistencia/Corriente/Voltaje

Selector de rango de medida

Conexión para medidas de Resistencia y Voltaje

(en paralelo)

Conexión para medidas de Corriente (en serie)

Conexión para referencia (tierra)

Selector de rango de frecuencia

Ajuste fino de frecuencia

Ajuste de offset (valor DC superpuesto a la forma de onda)

Ajuste de Amplitud

Ajuste de asimetría de la señal

Selector de la forma de onda

Unidades del visualizador

Unidades del visualizador

4

‐ ‐


Entrenador

El entrenador es una combinación de instrumentos que nos permitirán montar y estudiar circuitos tanto

analógicos como digitales.

Fuentes de alimentación

Interruptores para generación de

entradas digitales

Resistencias variables

Resistencias variables

Generador de señales

LEDs para visualización de salidas digitales

Multímetros para las fuentes de alimentación variables

Multímetros para las fuentes de alimentación variables

Tablero de conexiones

Organización de las

conexiones

Conexiones Conexiones Conexiones

independientes Conexiones

independientes

5

‐ ‐


B.‐ Montaje de circuitos eléctricos con elementos pasivos

Generador conectado a un condensador

En continua un condensador no deja pasar la corriente, actúa como un circuito abierto (sólo pasa corriente

en transitorios de carga o descarga). Cuando se le aplica una señal alterna, el condensador se carga y se descarga

periódicamente.

Si la fuente del circuito es una tensión cosenoidal )cos()( max tt :

)2cos()2cos(sen maxmaxmax tItCtCdt

dVC

dt

dQI C

Vemos que la fase de I se adelanta en /2 a la fase de VC(t) ó (t). Sin embargo, el osciloscopio solo permite

medir tensiones (y con la misma referencia para los dos canales), por lo que para poder visualizar a la vez la

corriente y la tensión entre extremos del condensador es necesario realizar un montaje como el siguiente:

De esta forma, en el CH1 del osciloscopio podemos visualizar directamente VC, mientras que en el CH2 lo

que observamos es ‐VR(t)=‐I(t)∙R, que tiene la misma forma que I(t), pero invertida. Aprovecharemos la posibilidad

que tiene el osciloscopio de invertir el CH2 para poder observar el desfase de /2 entre I(t) y VC(t).

R=1K

C=10KpF

+

‐

+ ‐ VC

+

‐ VR=I∙R

Sonda del CH1 del

osciloscopio (VC)

Sonda del CH2 del

osciloscopio (‐VR)

Tierras del

osciloscopio

6

‐ ‐


En el caso que la tensión aplicada sean pulsos de la forma de la gráfica siguiente (elegir dicha forma de

onda en el generador de señales y ajustar adecuadamente la amplitud y el offset), el condensador se cargará y

descargará alternativamente:

Cuando la tensión aplicada sube bruscamente, la corriente I(t) también lo hace (ya que el condensador se

comporta como un cortocircuito) y tiene el valor de I=Vmax/R, y poco a poco esta corriente va disminuyendo

exponencialmente a medida que el condensador se va cargando hasta tener un valor nulo (el condensador no

conduce en DC). Por otro lado el voltaje en el condensador no varía instantáneamente y sube desde

exponencialmente 0 V hasta Vmax. Cuando la tensión aplicada desaparece bruscamente, este proceso se repite a la

inversa al descargarse el condensador.

Analíticamente se puede calcular la evolución de I(t) y VC(t) a partir de =I∙R+VC, condt

dVCI C , siendo

(0)=0 V y (∞)=Vmax, en el proceso de carga del condensador, y (0)=Vmax y (∞)=0 V en el de descarga. De esta

forma (y tomando como referencia t=0 el tiempo en que se produce el salto de tensión):

Carga: )/exp()( max tR

VtI )/exp(1)( max tVtVC

Descarga: )/exp()( max tR

VtI )/exp()( max tVtVC

(t)

I(t)

Vmax

t

t

Vmax/R

0,37Vmax/R

VC(t)

t

Vmax

0,63Vmax

0.37Vmax

‐0,37Vmax/R

‐Vmax/R

=RC

7

‐ ‐


siendo =RC el tiempo característico de evolución de la carga y descarga del condensador. Estimar en el

osciloscopio el valor de dicho tiempo sabiendo que para t= el valor de I(t) se convierte en el valor inicial dividido

por e=2.71828 (1/e=0.37).

Referencias: Carga y descarga de un condensador (Universidad del País Vasco):

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/rc/rc.htm

Generador conectado a una bobina

Al contrario que un condensador, una bobina deja pasar la corriente en continua, mientras que se opone a

sus variaciones rápidas.

Si la fuente del circuito es una tensión cosenoidal )cos()( max tt :

2cos2cossen cos11

maxmaxmax

0

max

0

tItL

tL

dttL

dtL

Itt

En este caso vemos que la fase de I se retrasa en /2 con respecto a la fase de (t). Dicho desfase lo

podremos observar utilizando el montaje anterior en el que cambiamos el condensador por la bobina.

R=1K

L=?

+

‐

+ ‐ VL

+

‐ VR=I∙R

Sonda del CH1 del

osciloscopio (VL)

Sonda del CH2 del

osciloscopio (‐VR)

Tierras del

osciloscopio

8

‐ ‐


En el caso que se apliquen pulsos de tensión, la bobina se opondrá a los cambios bruscos de corriente,

absorbiendo la tensión necesaria.

Para obtener analíticamente I(t) y VL(t) aplicamos que =I∙R+VL, con t

LdtVL

I0

1 , siendo (0)=0 V y

(∞)=Vmax, en el proceso de subida de la tensión aplicada, y (0)=Vmax y (∞)=0 V en el de bajada. Igual que antes,

tomando como referencia t=0 el tiempo en que se produce el salto de tensión obtenemos que:

Subida: )/exp(1)( max tR

VtI )/exp()( max tVtVL

Bajada: )/exp()( max tR

VtI )/exp()( max tVtVL

con =L/R el tiempo característico de la evolución de la corriente.

Estimar en el osciloscopio el valor de y obtener a partir de él el valor de L.

(t)

I(t)

Vmax

t

t

Vmax/R 0,63Vmax/R

VL(t)

t

Vmax

0.37Vmax

0,37Vmax/R

‐0.37Vmax

Vmax

=L/R

9

‐ ‐


Generador conectado a un circuito RLC serie

Se define la impedancia compleja del circuito RLC serie como:

1

1 , ,

CLjRZZZZ

CjjXZLjjXZRZ

CLR

CCLLR

Si mantenemos la amplitud de la señal del generador constante y variamos su frecuencia, la amplitud de

la corriente variará con la frecuencia ya que la impedancia del circuito depende de yZ

I

:

IdeFasedeFaseRC

L

CLRZ

eZZ

Z

j Z

1

arctan

1

2

De las fórmulas anteriores se puede ver claramente como hay un valor de la pulsación =0 para el que

se cumple que XL=XC, por lo que Z=R es mínima, la amplitud de la corriente es máxima, I=max/R y la corriente I(t) y

la tensión aplicada (t) están en fase. El valor de la frecuencia de resonancia es:

LCf

LC

2

1100

Verificar en el osciloscopio que para >0 se cumple que >0 ya que el circuito es inductivo, para <0,

<0 y el circuito es capacitivo y para =0, =0 y el circuito es resistivo.

Obtener el valor de f0 y a partir de ella calcular el valor de L.

C=10KpF

R=1K

Sonda del CH2 del

osciloscopio (VR)

Sonda del CH1 del

osciloscopio ()

Tierras del

osciloscopio

I

‐Q +Q

practica 1 - osciloscopio y circuitos

Documents