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INGENIERIA MECATRÓNICA ELECTRONICA ANALÓGICA

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA

TEMA: MANEJO DE INSTRUMENTOS Y EQUIPOS PRÁCTICA N°

FECHA

INTEGRANTES (un integrante)

FIRMA

1 TIEMPO: 2hr

1.

RESPONSABLE: Ing. Mónica Romero MSc.

OBJETIVOS 1.1. Objetivo General: 

Reconocer los equipos y parámetros más importantes para la calibración, medición y validación de los experimentos a realizarse en electrónica analógica.

1.2. Objetivos Específicos:   

      2.

METODO 

3.

Comprender el funcionamiento y la manera de usar de cada uno de los instrumentos y equipos que se encuentran en el laboratorio: osciloscopio, generador de funciones, multímetro y fuente de alimentación. Realizar mediciones de voltaje en las fuentes y el banco de trabajo Con el generador de funciones realizar mediciones de: o Onda sinusoidal de: 0.5V pico – pico, 100Hz. o Onda triangular de: 3V pico – pico, 8KHz. o Onda rectangular de: 4V pico – pico, 90KHz. Medir simultáneamente una tensión continua de +4V y una rectangular de 2V pico – pico Medir una forma de onda cualquiera más un ofsset. Código de colores para resistencias y lectura de una cantidad de resistencias. Determinar el voltaje en las resistencias y la corriente en los nodos del circuito de corriente continua. Explicar cómo se debe de conectar el osciloscopio para medir tensión y corriente de un circuito al mismo tiempo. Medir corriente y tensión de un circuito usando el osciloscopio.

Demostración del docente de la utilización y manejo del dispositivo de práctica.

EQUIPO Y MATERIALES   

Banco de Prácticas Osciloscopio Sondas de osciloscopio (traer una sonda por estudiante) (pueden mandar a hacer en los locales



de electrónica o comprar los materiales y hacer ustedes mismo, no es necesario sonda atenuada) Multímetro (uno por estudiante) (Que pueda medir voltaje y corriente, no necesitan comprar equipo costoso, verificar marcas o consultar comentarios en internet)

   

Generador de Funciones Fuentes de alimentación Resistencias de 1/2 watt (120Ω, 180Ω, 1kΩ, 220Ω, 330Ω) Protoboard (Verificar marcas pues hay protoboard de mala calidad, se recomienda verificar

comentarios en internet o averiguar con los laboratoristas. También verificar el tema de costos, un mismo equipo puede costar hasta tres veces más de un local a otro) 

Cable de Protoboard (Ver nota 1)

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  

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4 Cables con bananas Cortafrío y utensilios para cortar cable Resistencia de shunt (1 ohm 1 watt)

Nota 1: para el cableado del protoboard obtener al menos 2 metros de cable de cobre rígido de 0.6 mm de diámetro (del cobre sin considerar el aislante) equivalente a AWG 22 ó 23 aislado (tratar de conseguir el cable que se usa para la instalación de porteros eléctricos o cable de timbre, el cable de red en ocasiones es muy delgado, comprobar el diámetro con el calibrador). 4.

FUNDAMENTO TEORICO 4.1. Elementos del espacio de trabajo en el laboratorio 

Osciloscopio GW Instek GDS-1102ª

El osciloscopio que se posee en el Laboratorio de Analógica nos ofrece varias prestaciones para el estudio de circuitos electrónicos, entre ellas visualizar el comportamiento que presenta un circuito electrónico al sufrir un cambio en algún parámetro del circuito en estudio, es decir todo cambio que reciba el circuito se verá reflejado por medio de la visualización en el osciloscopio. Además este en sus diferentes series nos ofrece tres selectiva de ancho de banda de 60MHz, 100MHz y 150MHz, en nuestro caso 100MHz, además de la Pantalla LCD a color, los usuarios podrán disfrutar de una mejor experiencia en medición. Un total de 15 formas de onda puede ser guardado en la memoria interna para ser recuperados posteriormente y mostrar, más 2 formas de onda que pueden ser mostradas en la pantalla al mismo tiempo para la comparación. Tarjeta SD de almacenamiento masivo y el puerto del dispositivo USB son compatibles para el almacenamiento y transferencia.

Fig. 1. Osciloscopio GW Instek GDS-1102A Con Tarjeta SD y dispositivos USB compatible 

Generador de funciones GW Instek SFG-2110

El Generador de Funciones es un equipo de gran versatilidad, cualidad que se desprende de sus propias características: Amplio margen de frecuencias: 0.1 Hz - 1 MHz que hace posible análisis incluso a muy bajas frecuencias. Genera tres señales básicas de salida: Senoidal, Triangular y Cuadrada, entregando además impulsos positivos compatibles con circuitos TTL, con salida fija e independiente y de la misma frecuencia que la señal principal. Dos importantes posibilidades más que completan el equipo, pues posee una entrada para control externo de la frecuencia, o su modulación y un control para añadir a la señal una tensión continúa de la polaridad deseada.

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Fig. 2. Generador de Funciones GW Instek SFG-2110. 

Fuente DC (Laboratory Power Supply GW Instek GPS-3303)

La fuente GW Instek modelo GPS-3303 es sumamente útil para nuestras aplicaciones de la materia ya que cuenta con 3 salidas aisladas e independientes, indicación simultánea de tensión y corriente en 2 canales, bajo nivel de ruido, modo de operación auto-serie y auto-paralelo, protección contra sobrecarga y polaridad inversa, des habilitación y ajustes de parámetros de salida. Características:  Cuatro pantallas de 3 dígitos cada una, para desplegar voltaje y corriente de las fuentes variables de manera simultánea.  Operación en modo Serie o Paralelo para dar hasta 60 Volts y 6 Amperes.  Modo de operación de Voltaje y Corriente Constante.  Bajo ruido de rizo  Protección contra sobre carga o polaridad invertida  Ideal para cargas dinámicas o continuas  Control para habilitar o deshabilitar la salida

 Velocidad de rotación del ventilador controlada por la temperatura del disipador.

Fig. 3. Fuentes DC Laboratory DC Power Supply GW Instek GPS-3303.

Fuente de alimentación regulable AC-DC El banco consta de fuentes fijas y regulables de AC y DC. Las cuales podrán ser variadas mediante un VARIAC que se encuentra en la parte superior del banco. En la Fig. 4 se puede observar de lo que consta el banco en general.

Fig. 4. Fuente de alimentación regulable AC-DC

Esta fuente regulable nos ofrece dos secciones que son una parte de corriente alterna y la otra de corriente continua, la primera parte de alterna ofrece una que es fija y la otra regulable, en la primera se puede obtener valores de 220v entre líneas y 127v entre línea y neutro, y el segunda que se puede obtener valores desde 0…220v. En lo que respecta a la otra sección aquí en cambio se tiene lo que es corriente continua, de la misma manera una fija y otra variable, en la primera nos presta un voltaje de 120v y en la variable de 0…120v. Además como se puede observar en la Fig. 4 la Fuente de Alimentación AC-DC presenta un Voltímetro AC, el mismo que nos indica el voltaje en el cual nos encontremos al hacer girar el VARIAC. También tiene un breaker de encendido y apagado general del banco en caso de cortocircuito. 5.

PROCEDIMIENTO

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Teniendo en cuenta que la explicación de los componentes del laboratorio de analógica se realiza en el sustento teórico, en esta sección se realizan las mediciones tomadas de las fuentes y del generador de funciones. 5.1 Medición de la fuente de alimentación regulable AC-DC VAC Fija

0 -- 220 VAC 3ª

3 X 220 VAC 15ª Valores de Placa (220 V) L1-L2 (220 V) L1-L3 (220 V) L2-L3 L1-N L2-N L3-N

Valores para variac en la mitad L1-L2 L1-L3 L2-L3 L1-N L2-N L3-N

Valores medidos (V) 207 208 207 119 121 121

Valores medidos (V) 220 220 219 110 110 110

VDC Variable VDC Fija 0…..120 VDC 120 VDC 15ª Valores de Placa 120 V

Valores para variac en la mitad 120 V

Valores medidos (V) 119

Valores medidos 119 V

VAC Variable 5.2 Medición de las ondas del generador de funciones Para este procedimiento se usa un generador de funciones y un osciloscopio los mismos que van conectados mediante sondas, las imágenes se tomarán en el osciloscopio y se guarda en una tarjeta SD o se guardarán con un cable en la computadora como se explica en el sustento teórico. Los estudiantes tienen que graficar en Matlab las formas de onda obtenidas con el osciloscopio. Las fotografías de la pantalla del osciloscopio presentadas en esta sección deberán ser reemplazadas por la imagen capturada en formato digital por el propio software del osciloscopio. A continuación se muestran algunos ejemplos de las capturas fotográficas: Onda seno de 1 Vpp a 100Hz.

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Onda Triangular de 3 Vpp a 8kHz

Onda Rectangular de 4 Vpp a 90 kHz

5.3 Medir simultáneamente una tensión continua de + 4V y una tensión rectangular de 2 Vpp. En este procedimiento simplemente se usan 2 canales en el osciloscopio los cuales se configuran para visualizarlos ambos a la vez.

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5.4 Visualizar una onda de 2Vpp alterna f= 1KHz con un offset de 5Vdc. Predisponer esta forma de onda mediante el Generador de funciones

5.5 Determinar el código de colores para las siguientes resistencias: Resistencia

Valor 120ohms con 5 % tolerancia 180ohms con 5 % tolerancia 56 Kohms con 5 % tolerancia 1000 Kohms con 5 % tolerancia

5.6 Calcular el voltaje en las resistencias R1, R4 y la corriente en los nodos A, B, C del siguiente circuito.

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5.7 Armar en el protoboard el circuito anterior y medir el voltaje en las resistencias R1, R4 y la corriente en los nodos A, B y C. Con los datos obtenidos en los puntos 5.6 y 5.7 complete la tabla 1 y determine el error que existe entre los valores medidos y calculados e indique ¿Por qué se produce dicho error?

R1 R4

Nodo A Nodo B

Voltaje Calculado 2.661 0.939v Corriente Medida Calculada 22.1mA 22.18mA 6.59mA 6.4mA Medido 2.58v 0.9v

Error 0.081v 0.039v Error 0.08mA 0.19mA

Tabla 1 Explicar cómo se debe de conectar el osciloscopio para medir tensión y corriente de un circuito al mismo tiempo. Para medir corriente y tensión de un circuito al mismo tiempo, se puede realizar de 2 maneras: La primera con sondas comunes donde se debe colocar una resistencia de referencia conocida como resistencia de Shunt (normalmente de 1 ohm y mayor a un watt) en serie a la carga, luego conectar la sonda en paralelo a dicha resistencia para medir la corriente, y para el voltaje se realiza de la misma manera con una segunda sonda en paralelo a la carga. Para la segunda manera de conexión ya no se necesita el conectar una resistencia en serie a la carga para medir corriente, sino simplemente de una sonda especial que posee una pinza amperométrica (principio de medición del campo magnético para relacionar a la cantidad de amperios circulando por el conductor). 5.8 En base a la explicación anterior medir usando el osciloscopio la corriente y el voltaje del circuito que se presenta a continuación.

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R1

Vi

R

La fuente Vi corresponde a un Voltaje AC de 6Vpp generado usando en generador de funciones, la carga es una resistencia de 330 ohms de ½ wat la Resistencia R corresponde a la resistencia de Shunt (1 ohm 1watt). 6

CALCULOS Y RESULTADOS

En cuanto a esta práctica mirando los datos obtenidos comprobamos que las fuentes y el generador funcionan de una manera correcta, sin embargo puede existir una variación de datos medidos frente a los datos de placa por características de los componentes internos y de factores externos, tales como temperatura, presencia de ruido en la red, etc. 7

Preguntas de Repaso:

7.1 ¿Qué es un osciloscopio? Es una herramienta que muestra gráficamente la forma de onda de el voltaje o la corriente dentro de un circuito eléctrico ya sea de corriente continua o alterna. El osciloscopio del laboratorio nos sirve también para poder tomar los datos en archivos csv. Para poder trabajarlos en un software.

7.2 ¿Qué es un generador de funciones? Es una herramienta que genera ondas de corriente rectangulares, sinusoidales,

7.3 ¿Cómo se mide corriente con el osciloscopio? a) Colocando la sonda en serie con la carga b) Con una sonda en paralelo con la carga c) Con una resistencia de shunt que se coloca en serie con la carga, la sonda se coloca en paralelo a la resistencia. d) Con una resistencia de shunt que se coloca en serie con la carga, la sonda se coloca en paralelo a la carga. 7.4 ¿Qué sucede al medir la tensión de la red con el osciloscopio? a) b) c) d)

La señal se mide con normalidad Se puede generar un corto circuito Ocurren distorsiones en la medición Se observa una línea recta en la pantalla

7.5 En este experimento hemos aprendido a usar el osciloscopio. En la gráfica podemos observar un monitor de frecuencia cardiaca (Electrocardiograma o EKG), del tipo que se ve en consultorios médicos y hospitales. Al monitorear los laidos del corazón, ¿Qué representan los dos ejes (horizontal y vertical) de la pantalla del osciloscopio?

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a) b) c) d)

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Horizontal ( Voltaje), Vertical (Corriente) Horizontal (Corriente), Vertical (Tiempo) Horizontal (Voltaje), Vertical (Tiempo) Horizontal (Tiempo), Vertical (Voltaje)

7.6 Verdadero o Falso Cuando el eje vertical ("Y") de un osciloscopio está en cortocircuito, el resultado debe ser una línea recta en el medio de la pantalla.

7.7 Determine la polaridad de la Fuente de voltaje DC de acuerdo a la siguiente ilustración:

7.8 Un osciloscopio es conectado a una batería de voltaje desconocido. El resultado es una línea recta en la pantalla:

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Suponiendo que la pantalla del osciloscopio se ha ajustado a cero correctamente y la sensibilidad vertical se establece en 5 voltios por división, determine el voltaje de la batería. Es de 6.5 V 7.9 Un técnico se prepara para usar el osciloscopio para mostrar una señal de voltaje AC. Después de encender el osciloscopio y conectar la sonda a la entrada Y a los puntos de la fuente, aparece la siguiente señal:

¿Qué controles de visualización deben ajustarse en el osciloscopio para mostrar menos ciclos de esta señal en la pantalla, con una mayor amplitud? a) Se debe ajustar el trigger y el disminuir el tiempo-división con el control horizontal b) Aumentar el voltaje/ división con el control vertical y disminuir el tiempo/ división con el control horizontal. c) Aumentar el voltaje/ división con el control vertical y aumentar el tiempo/ división con el control horizontal. d) Disminuir el voltaje/ división con el control vertical y ajustar el trigger. 7.10 Determine la frecuencia de la forma de onda que se muestra en el osciloscopio con una sensibilidad vertical de 2 voltios por división y una base de tiempo de 0,5 milisegundos por división:

la frecuencia es igual a uno sobre T, en este caso T estaria dado por 5 cajones de divicion con el valor de 0.5 milisegundos tenemos 0.0025s, remplazando T para el valor de F seria igual a 400Hz.

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7.11 La mayoría de los osciloscopios solo pueden medir directamente el voltaje, no la corriente. Una forma de medir la corriente de CA con un osciloscopio es medir el voltaje a través de una resistencia en derivación (resistencia de shunt). Dado que el voltaje en una resistencia es proporcional a la corriente a través de esa resistencia, cualquiera que sea la forma de onda de la corriente se traducirá en un voltaje con la misma forma de onda.

Sin embargo, se debe tener mucho cuidado al conectar un osciloscopio a cualquier parte de un sistema conectado a tierra, como lo hacen muchos sistemas de energía eléctrica. Tenga en cuenta lo que sucede aquí cuando un técnico intenta conectar el osciloscopio a través de una resistencia de shunt ubicada en el lado "caliente" de un circuito de motor de 120 VCA con conexión a tierra: ¿Dónde se debería conectar la resistencia de shunt? a) b) c) d)

La conexión que se muestra es correcta Se debe conectar inmediatamente después de la carga en serie con la misma Se debe conectar en paralelo con la carga No es necesario conectar resistencia de Shunt

7.12 La mayoría de los osciloscopios tienen al menos dos entradas verticales, que se utilizan para mostrar más de una forma de onda simultáneamente:

Si bien esta característica es extremadamente útil, se debe tener cuidado al conectar dos fuentes de voltaje de CA a un osciloscopio. Como los puntos de "referencia" o "tierra" de cada sonda son eléctricamente comunes con el chasis de metal del osciloscopio, también son eléctricamente comunes entre sí.

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Explique qué tipo de problema causaría conectar los canales de un osciloscopio a un circuito de la manera anterior.

7.13 A veces se necesita usar el osciloscopio para medir una tensión diferencial que tiene una tensión significativa en modo común: una aplicación donde no puede conectar el cable de tierra del osciloscopio a ninguno de los puntos de contacto. Una aplicación mide los pulsos de voltaje en una red de comunicaciones digitales RS-485, donde ninguno de los conductores del cable de dos hilos tiene potencial de tierra, y donde conectar cualquier cable a tierra (a través del punto de tierra del osciloscopio) puede causar problemas.

Una solución a este problema es usar las 2 sondas osciloscopio y configurarlo para la medición diferencial. En este modo, solo se mostrará una forma de onda en la pantalla, aunque se estén utilizando dos sondas. No es necesario conectar a tierra al circuito bajo prueba, y la forma de onda mostrada indicará el voltaje entre las dos puntas de la sonda. ¿Cómo se debe configurar el osciloscopio para realizar las mediciones diferenciales?

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a) Observamos los dos canales, seleccionamos la opción Chop e invertimos el canal 2. b) Visualizamos el canal B del osciloscopio y seleccionamos la opción Add (suma), invertimos el canal 2. c) Seleccionamos la opción dual para observar los 2 canales, seleccionamos Add e invertimos el canal 1 d) Visualizamos el canal B del osciloscopio y seleccionamos la opción Add (suma), invertimos el canal 1. e) No se puede observar la señal porque las sondas del osciloscopio no están conectadas a tierra.

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SIMULACIONES

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CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA

[1] Características Equipos – Final TEST – [online]. Available: http://www.finaltest.com.mx/GW-InstekGDS-1102A-Osciloscopio-Digital-p/gds-1102a.htm [2] Generador de funciones – David Higuera webdiee.cem.itesm.mx/web/servicios/archivo/tutoriales/generador

–

[online].

Available:

[3] Allaboutcircuitscom. (2017). Allaboutcircuitscom. Retrieved 25 January, 2017 [online]. Available: http://www.allaboutcircuits.com/worksheets/basic-oscilloscope-operation/

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