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UNAP- Circuitos Electrónicos Guía de Laboratorio N°2 1

PMR/pmr/2002-04-07

Laboratorio N°2-Circuitos Eléctricos 1. Objetivos del Laboratorio ? Efectuar mediciones de Voltaje, y Corriente en circuitos básicos de corriente continua. ? Verificar la Ley de Ohm en los setup ensayados. ? Familiarizarse con conceptos como: “Polaridad, Sentido de la corriente, malla, nodo”

2. Marco Teórico 2.1 Resistencias Variables: Son aquellas resistencias cuyo valor en ohm [ ? ] pude ser variado dentro de un rango, ya sea de forma manual o mediante algún estímulo externo tal como la luz, el calor, el sonido, el voltaje, etc. Símbolo:

Los potenciómetros: Los potenciómetros son resistencias variables ampliamente utilizadas en los dispositivos eléctricos y electrónicos cuyo valor en ohm se puede ajustar a voluntad por medio de un eje o tornillo, en la figura 1, se puede observar los principales potenciómetros empleados. Los potenciómetros se fabrican depositando una capa de carbón sobre una sección circular o rectangular de fibra o material compacto y aislante. Un eje en el centro permite que un contacto móvil se deslice a través de la sección resistiva.

Fig. 1: Resistencias variables o potenciómetros

Tipos de pontenciómetros: Según la variación del valor en ohm, con respecto a su posición en el eje, un potenciómetro puede ser lineal, logarítmico o antilogarítmico. Un potenciómetro lineal es aquel cuya variación es constante durante el giro del eje o cursor. Por ejemplo, si se gira 15° la resistencia aumenta 1.000 [ ? ], y si se gira 30° la resistencia aumenta a 2.000 [? ]. En un potenciómetro logarítmico o antilogarítmico no ocurre esto, se obtienen menos variación al principio y mayor variación al final del giro. En la Figura 2, se pueden observar los diferentes comportamientos o curvas de Resistencia.


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Posición

Resistencia(ohm)

LinealPosición

Resistencia(ohm)

Logarítmico

Posición

Resistencia(ohm)

Antilogarítmico

Fig. 2: Variación en los Potenciómetros Existe un tipo de potenciómetro que se fabrica especialmente para ser montado en los circuitos impresos. Estos potenciómetros se utilizan para ajustar voltajes o corrientes en algunos circuitos y se mueven por medio de un destornillador o herramienta de ajuste (figura 3)

Fig. 3: Potenciómetros para circuitos impresos 2.2 Fuente de Voltaje

Una fuente de voltaje es un dispositivo que entrega energía para producir un flujo o corriente eléctrica, esta energía es cuantificada en volts [V]. La fuente ideal de voltaje mantiene su voltaje prescrito, independiente de su salida de corriente. En general una fuente ideal de voltaje puede mantener voltaje positivo o negativo, y puede ser constante o variar en el tiempo. Se usa el símbolo de batería para una fuente de voltaje constante (corriente continua) y siempre se considera que el voltaje de la batería es positivo. La fuente de voltaje debería producir una corriente física de salida de la terminal (+) y así actuar como fuente de energía para el circuito. Las características más importantes de una fuente de Voltaje son: ? Voltaje de Salida ? Corriente de Salida ? Voltaje de Alimentación


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Estas características se detallan a continuación: Voltaje de Salida: Se refiere al potencial que existirá en los terminales de salida de una fuente de poder; para una fuente de corriente continua se refiere al voltaje existente entre los terminales positivo y negativo, este valor es posible medirlo con un instrumento llamado “Vóltmetro”. Corriente de Salida: Se refiere a la máxima corriente que es posible mantener la fuente sin que el voltaje de salida descrezca, una vez que se supera esta corriente máxima el voltaje comenzará a disminuir y la fuente puede dañarse, por lo que hay que tener la precaución de sobrepasar este valor. El valor de la corriente es posible medirlo por medio de un instrumento llamado Amperímetro.

Afortunadamente la fuente que se utilizará en el laboratorio tiene una protección Voltaje de Alimentación: Se refiere al potencial de entrada que necesita la fuente para funcionar, generalmente este valor corresponde a 220 VAC (Volts de Corriente Alterno), que son los existentes en los enchufes de la mayoría de los hogares. Para esta característica hay que tener la precaución de NUNCA ALIMENTAR UNA FUENTE DE PODER CON UN NIVEL DE VOLTAJE DISTINTO AL INDICADO POR EL FABRICANTE, lo mismo es totalmente aplicable en el caso de cualquier dispositivo eléctrico o electrónico que manipulemos. Un cuidado importante para el caso de la fuente del computador, es por ejemplo el seteo de un selector que trae la fuente para seleccionar entre 110 o 220 VAC de voltaje de alimentación, hay que siempre que verificar, antes de enchufar un PC que este corresponda a 220 VAC, si alguien por descuido cambia este valor a 110 VAC y enciende el PC, la fuente de seguro fallará. ¿Por qué la fuente no viene especificada sólo para 220 VAC?, esto es debido a que en Estados Unidos principalmente se utiliza una alimentación de 110 VAC.

+-

Corriente (A)

Vo

ltaj

e (V

)

V

a) b)

Figura 4: (a) Símbolo general de una fuente de voltaje; (b) Voltaje de Salida Característico para una fuente de voltaje CC (corriente continua)

ATENCIÓN: Nunca juntar los terminales positivo y negativos, mientras la fuente permanezca en funcionamiento. ¿A qué se debe esta precaución?,

el lector debiera estar en condiciones de explicárselo.


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2.3 Ley de Ohm La ley de Ohm establece que la corriente (I) que circula por una resistencia es proporcional al voltaje (V) que recae sobre ella, e inversamente proporcional a la resistencia (R), es decir:

][ARV

I ?

El circuito más sencillo que representa esta situación es el descrito a continuación:

RV

I

+

La corriente “I” que circula por el circuito es debido al potencial “V” que se está aplicando pero la oposición al paso de la corriente “R” está provocando que esta corriente disminuya. Básicamente eso es lo no dice la Ley de ohm. Una aclaración importante es que la mayoría de los elementos eléctricos y electrónicos que utilizamos diariamente, se asemejan a una resistencia, por lo que es totalmente factible aplicar la ley de ohm en ellos para saber por ejemplo que corriente circula a través de los elementos.

Es posible establecer algunas conclusiones de la ley de ohm, que se pueden deducir

estudiando el comportamiento de la expresión ][ARV

I ? :

? Un aumento del voltaje aplicado “V” traerá como consecuencia un aumento de la corriente

“I” que circula por el circuito, si es que la Resistencia “R”, se mantiene constante. ? Un aumento de la Resistencia “R” en el circuito traerá como consecuencia una diminución

de la corriente “I”, si es que el voltaje se mantiene constante. Los casos contrarios a los anteriores también siguen la misma lógica, es decir: ? Una disminución del voltaje aplicado “V” traerá como consecuencia una disminución de la

corriente “I” que circula por el circuito, si es que la Resistencia “R”, se mantiene constante. ? Una disminución de la Resistencia “R” en el circuito traerá como consecuencia un aumento

de la corriente “I”, si es que el voltaje se mantiene constante.

PUEDE RAZONAR A QUE SE DEBEN ESTAN CONCLUSIONES? Es lógico inmaginar que la “Ley de ohm” no sólo sirve para el caso de los circuitos en donde existe una sólo resistencia. De hecho el análisis se puede extrapolar a circuitos con varias Resistencia y en las distintas configuraciones ya por todos conocidas, que se ensayaron el laboratorio N°1.

Puede establecer por ejemplo cuanto corriente consume una ampolleta de su hogar, si es que tiene una resistencia aproximada de 484 [? ] y está alimentada

por una tensión de 220 [V] de corriente alterna.


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2.3.1 Ley de Ohm en Configuración Serie Para una configuración serie de 2 Resistencias el valor de la resistencia total estará dado por:

R1 R2

RT=R1+R2

Por lo tanto el circuito anterior puede ser reemplazado por un circuito de una sola resistencia de valor igual a “RT”. Es decir:

RT=R1+R2

RT=RT

¿Es lógico pensar que ambos circuitos son equivalentes? Podemos realizar algo similar para poder aplicar la ley de ohm?, claro que sí. Veamos esto alimentando nuestro circuito con una fuente de poder de valor “V”

R1V

I

+ R2

RT=R1+R2V

I

+

La pregunta que surge es entonces: ¿Si el voltaje V es el mismo en ambos circuitos, serán iguales las corrientes “I” circulantes?, ¿Qué opina el lector? 2.3.2 Ley de ohm en Configuración Paralelo Para una configuración Paralelo de 2 Resistencias el valor de la resistencia total estará dado por:

R1 R2RT=1/(1/R 1+1/R 2)


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RT=1/(1/R 1+1/R 2)

RT=RT

¿Es lógico pensar que ambos circuitos son equivalentes? Podemos realizar algo similar para poder aplicar la ley de ohm?, claro que sí. Veamos esto alimentando nuestro circuito con una fuente de poder de valor “V”

V

I

+R1 R

2

RT=1/(1/R 1+1/R 2)V

I

+

La pregunta que surge es entonces: ¿Si el voltaje V es el mismo en ambos circuitos, serán iguales las corrientes “I” circulantes?, ¿Qué opina el lector? 2.3.2 Ley de Ohm en Configuración Serie- Paralelo (Mixta): Para una configuración serie paralelo la Resistencia total está dada por:

R1 R2

RT=R 1+R2+1/(1/R 3+1/R 4) R3 R4


RT=RT

RT=R1+R2+1/(1/R 3+1/R 4)

¿Es lógico pensar que ambos circuitos son equivalentes?


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Podemos realizar algo similar para poder aplicar la ley de ohm?, claro que sí. Veamos esto alimentando nuestro circuito con una fuente de poder de valor “V”

V

I

+R3 R

4

R1

R2

V

I

+ RT=R

1+R

2+1/(1/R

3+1/R

4)

La pregunta que surge es nuevamente: ¿Si el voltaje V es el mismo en ambos circuitos, serán iguales las corrientes “I” circulantes?, ¿Qué opina el lector? Para que el lector tome sus propias conclusiones, se realizará la actividad de Laboratorio N°2, ahora incorporando en los mismo setup ensayados en la experiencia N°1 pero conectando al circuito una fuente de poder y realizando mediciones de corriente y voltaje. 2.4 Medición de Voltaje Para efectuar la medición de Resistencia se utiliza un instrumento llamado óhmetro, si lo que se desea es medir el voltaje se emplea un Voltmetro, por consiguiente para medir la corriente es necesario un instrumento llamado Amperímetro o Amperímetro. Sin embargo para beneficio de todos éstos tres instrumentos se concentran en uno sólo llamado “MULTITESTER” , podríamos inmaginar realizar nuestras mediciones transportando los tres instrumentos?. La medición de voltaje se realiza de manera similar a la de la resistencia, con la salvedad de que hay que respetar las convenciones de los signos, para no cometer errores de interpretación o medición. Para ello la clave es acordarse de que cuando dibujamos una fuente de poder de voltaje colocamos de inmediato dos signos en su dibujo: (+) y (-), como lo muestra la figura:

RV

I

+

? (+) quiere decir positivo y representa que por ese punto va a salir la corriente “I”. En la

mayoría de los casos (+) debiera asociarse al color rojo. ? (-) quiere decir negativo y representa que por ese punto va a volver la corriente que

provenia de (+). En la mayoría de los casos (-) debiera asociarse al color negro. ¿Recuerda que el tester que se empleo en la experiencia 1, utilizaba dos puntillas de conexión, una de color “rojo” y otra de color “negro”?, Precisamente para la medición de voltaje debemos respetar la convención de los signos para obtener una medición correcta, es decir debemos conectar la puntilla roja con el borne rojo o positivo de la fuente y


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de la misma forma debemos conectar la puntilla negra con el borne negro o negativo de la fuente. Lo anterior se aprecia más detalladamente en la figura siguiente:

+

-

ROJO

NEGRO

Fuente de Poder

PuntillaRoja

PuntillaNegra

RT

+-

Voltímetro

a

b

a

b

En el dibujo anterior se dice que se está midiendo el voltaje entre los puntos “a y b”, o más bien dicho la diferencia de voltaje entre los puntos “a y b”, esto se acostumbra a escribir como

abV

Técnicamente el esquema anterior se dibuja de la siguiente manera:

RT

a

b

V VI

Donde el símbolo:

a

b

V

Representa el voltímetro ubicado entre los puntos “a y b”.


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2.5 Medición de Corriente La medición de Corriente se realiza interrumpiendo (abriendo) el circuito con el instrumento, es decir, se coloca el instrumento de medición (Amperímetro) en serie con el resto del circuito. Esto significa que lo que se esta haciendo cuando se mide corriente, es intervenir el flujo de corriente para poder cuantificar su valor mediante el instrumento apropiado. Para medir la corriente es necesario también respetar la convención de los signos y colores que se vieron para el punto anterior [(+)=Positivo=Rojo; (-)=Negativo=Negro] en el caso de la medición corriente se coloca el signo positivo por donde la corriente va entrar al amperímetro (conectando la puntilla roja del multitester o positiva en ese punto del circuito) y el negativo por donde sale la corriente del instrumento (conectando la puntilla negra del multitester o negativa en ese punto del circuito), esto ve ejemplificado en los siguientes esquemas:

+-

+

I R

V+

a

En el dibujo anterior se dice que se está midiendo la corriente I que circula a través de la resistencia “R” o la corriente que circula en el punto “a”. Técnicamente el esquema anterior se representa de la siguiente manera:

+

I R

V+

Aa

Donde el símbolo:

+A

a

Representa el amperímetro ubicado en el punto “a”. Es importante mencionar que si no se se respeta la convención de signos en para la medición en los circuitos las mediciones que se obtengan serán incorrectas.


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3. Actividades a Realizar

Importante: Siga paso a paso las actividades de la guía de Laboratorio para el desarrollo de éste.

3.1 Fuente de Poder

? Familiarze con la fuente de poder por medio de identificar sus caracterísiticas técnica principales, para ello complete la siguiente tabla:

Marca Modelo Voltaje de Alimentación Voltaje de Salida Corriente máxima de Salida Potencia Tipos de Corriente que maneja

Tipos de protecciones que posee

? Identifique los bornes positivo y negativos y realice las mediciones en el siguiente setup:

V+

V

Mueva la perilla de voltaje de salida y vea que sucede con la medición, complete para ello la siguiente tabla: Giro de La perilla Voltaje Medido [V] Perilla sin girar ¼ giro ½ giro ¾ giro Perilla completamente girada Puede establecer algunas conclusiones?


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3.2 Medición de Voltaje

? Familiarizarse con el Potenciómetro por medio de realizar medidas de resistencia en el moviendo la perrilla que este trae, para ello ensaye el siguiente setup y complete la tabla:

R ohm

Mueva la perilla del potenciómetro de y vea que sucede con la medición de resistencia, complete para ello la siguiente tabla (utilice un potenciómetro de 10k[?]): Giro de La perilla Resistencia Medido [ohm] Perilla sin girar ¼ giro ½ giro ¾ giro Perilla completamente girada Puede establecer algunas conclusiones con respecto al tipo de potenciómetro que está utilizando?

? Ahora realice mediciones de voltaje en las siguiente configuraciones y establezca conclusiones, para ello por cada setup ensayado complete las siguientes tablas:

NOTA: Utilice un Voltaje de alimentación V= 5 V para relizar todas las

experiencias:

a) Configuración Serie

? Realice el montaje del siguiente setup y realice las siguientes mediciones, para ello complete la siguiente tabla:

V+ VR1

R2I

+

V+

ab

c


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Punto de medición

(ejemplo Vab) Voltaje medido [V]

? Cambie ahora R1 por un potenciómetro y repita las mediciones que antes obtuvo girando gradualemente la perilla del potenciómetro.

¿Qué sucede con las mediciones?, establezca conclusiones.

Giro de la Perilla Punto de medición (ejemplo Vab)

Voltaje medido [V]

b) Configuración Paralelo

? Realice el montaje del siguiente setup y realice las siguientes mediciones, para

ello complete la siguiente tabla:

V+ VR1

I

+

a

c

R1

b

d

V+

Punto de medición (ejemplo Vab)

Voltaje medido [V]



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Giro de la Perilla Punto de medición (ejemplo Vab)

Voltaje medido [V]

c) Configuración Mixta



V+

R1I

V+

a b

R2

V+

VR3

+

c

e

R4

d

f

V+

V+

Punto de medición (ejemplo Vab)

Voltaje medido [V]


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3.3 Medición de Corriente

d) Configuración Serie


V+

R2

R1I

A+a

bA

+

cA

+

Punto de medición (ejemplo Ia)

Corriente medida [A]



Giro de la Perilla Punto de medición (ejemplo Ia)



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e) Configuración Paralelo


V+

R2

I

A+a b A

+

R1

A+

c

Punto de medición (ejemplo Ia)


f) Configuración Mixta



V+

R2R1I

A+a

bA

+

R4

d A+

R3

A+

c

Punto de medic ión (ejemplo Ia)


Establezca conclusiones de las experiencias

4. Materiales e Instrumentos a Utilizar ? Multímero Digital ? Fuente de Poder Regulada ? Potenciómetro de Carbón de 10 K[ ? ] y/o ot ros disponibles ? Resistencia de carbón de 2.2 K[ ? ]; 4.7 K[ ? ]; 10 K[ ? ]; 1 K[ ? ]; 1 M[ ? ] y/o otras

disponibles.

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