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• Juan Pablo Flórez Ramírez

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Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro

INTRODUCCIÓN AL USO DE LAS FUNCIONES BÁSICAS DE UN OSCILOSCOPIO Paula Daniela Cárdenas León – 2181289-Ingeniería Civil. Joan Sebastián Parra Atencio- 2182825- Ingeniería Electrónica. Gessika Alejandra González Santos - 2181565 – Ingeniería Metalúrgica

Hay que tener la mente abierta. Pero no tanto como para que se te caiga el cerebro al suelo. Richard Feynman.

RESUMEN Por medio de este informe trabajaremos con un osciloscopio a partir de un simulador virtual, permitiéndonos estudiar una señal, o diferencia de potencial continua; estudiaremos por medio de circuitos RC y RL funciones sinusoidales, explicadas detenidamente por el profesor, detallando su periodo y amplitud. El osciloscopio es un dispositivo de visualización grafica que nos muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical representa el voltaje de la señal, mientras que el eje horizontal representa el tiempo, nos sirve para determinar el periodo y voltaje de una señal, determina la frecuencia de una señal, saber en qué parte es continua o alterna, localizar averías en un circuito en un circuito y mediar la fase de dos señales, por medio de estos conocimientos intentaremos responder a los diferentes cuestionamientos de la práctica.

OBJETIVO GENERAL •

Familiarizar al estudiante con el uso de las funciones básicas de un osciloscopio y el análisis de señales.

1 Reporte de investigación del subgrupo A5, grupo H2A, presentado al profesor David Alejandro Miranda Mercado en la asignatura de Laboratorio de Física 3.

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Comprender los términos y cantidades físicas asociadas al uso del osciloscopio. • Entender los controles básicos de un osciloscopio digital. • Medir señales eléctricas en circuitos de corriente alterna a través de un simulador interactivo. • Interpretar los resultados de las mediciones de señales eléctricas adquiridas con el osciloscopio. MATERIALES • Computador • Simuladores Online DCAClab / MultisimLive

Figura 1 y 2: Ejemplos del Simulador MultisimLive y DCAClab

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo de laboratorio, lo desarrollamos en un simulador DCAClab, ingresamos a este por medio de los diferentes videos y explicaciones del docente para desarrollar dos tipos de circuitos en Rc y Rl estableciendo diferentes valores en sus resistencias, frecuencias, capacitores entre otras propiedades para encontrar sus diferencias, desfases de ondas, aumento o disminución de la señal en el sistema aplicando algunas ecuaciones que fueron explicadas en la parte teórica y reforzadas en el laboratorio. Para iniciar explicando es importante resaltar la importancia del simulador debido a que es demasiado útil, interesante y sencillo de usar, así como las diferencias que más adelante a través de gráficos y ecuaciones demostraremos sobre las diferencias en el oscilador de un circuito Rc y Rl ya antes mencionado en el resumen y desarrollado a fondo en la metodología, tablas, tratamiento de datos y conclusiones. 2 Reporte de investigación del subgrupo A5, grupo H2A, presentado al profesor David Alejandro Miranda Mercado en la asignatura de Laboratorio de Física 3.

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro “Los osciladores son generadores que suministran ondas sinusoidales y existen multitud de ellos. Generalmente, un circuito suele estar compuesto por una bobina (o inductancia) y por un condensador. El funcionamiento de los circuitos osciladores suele ser muy similar en todos ellos; el circuito oscilante produce una oscilación, el amplificador la aumenta y la red de realimentación toma una parte de la energía del circuito oscilante y la introduce de nuevo en la entrada produciendo una realimentación positiva”. Fragmento explicativo tomado http://myelectronic.mipropia.com/osciladores.html?i=1 Todos los osciladores involucran uno o más elementos almacenadores de energía. En forma general se pueden clasificar según el tipo de almacenadores. Tenemos, así, los osciladores LC, que utilizan capacitores e inductores, y los osciladores RC, que utilizan capacitores y resistores. METODOLOGIA: FASE 1: En el simulador DCACLab creamos un circuito RC (Circuito con una resistencia y un capacitor en serie), estos dos elementos, estarán conectados a una fuente de voltaje fija de 1.5 [V] y tendrán una frecuencia de 60Hz, en este circuito, se variará el valor del capacitor (tomando valores de 50 uF y 500uF), para el circuito, la resistencia se tomará constante (500 Ohm) Este mismo proceso se realizará con un circuito RL (Circuito con una resistencia y un inductor en serie), como se planteó anteriormente, el circuito estará conectado a una fuente de volate de 1.5 [V]. Los valores que se tomarán para el inductor, serán de 1mH y 10mH, para la obtención de datos presentados más adelante en las tablas desarrollamos cuidadosamente un análisis cualitativo y cuantitativo.

Figura 3. Simulación del circuito RC usando el osciloscopio: https://dcaclab.com/es/lab

3 Reporte de investigación del subgrupo A5, grupo H2A, presentado al profesor David Alejandro Miranda Mercado en la asignatura de Laboratorio de Física 3.

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Figura 4. Simulación del circuito RL usando el osciloscopio https://dcaclab.com/es/lab

FASE 2: Se usaron los circuitos planteados anteriormente con sus respectivas variaciones en el capacitor, el inductor y frecuencia ajustando las perillas voltaje/div y tiempo/div, para llevar a cabo la Amplitud de la señal de voltaje de medida A en función de la frecuencia y la capacitancia para una amplitud de voltaje en la fuente V, con valores que están en un rango para llegar a una conclusiones claras.

FASE 3: Una vez obtenidos los valores y llenada la tabla que se encarga de estudiar el movimiento y cambio de la onda cuando se le efectúa algún tipo de incremento o disminución ya sea de frecuencia, voltaje, tiempo etc, aplicamos algunas ecuaciones para hacer mucho más exacto el tratamiento de datos. TRATAMIENTO DE DATOS. Tabla 1. Descripción observacional de las medidas de voltaje realizadas con el osciloscopio virtual DCAClab. Configuración

Circuito RC

Describa si observó adelanto o atraso en la señal de voltaje de salida

Describa cuantas veces aumento o disminuyo la señal de voltaje de salida respecto a la entrada

Describa con sus palabras si hubo cambio en la frecuencia de la señal de salida respecto a la de entrada

Cuando analizamos En este recuadro Para encontrar la los circuitos RC que evaluaremos la variación en los valores de 4

Reporte de investigación del subgrupo A5, grupo H2A, presentado al profesor David Alejandro Miranda Mercado en la asignatura de Laboratorio de Física 3.

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Circuito RL

tuvieron como particularidad el cambio de resistencia, analizamos por medio de la gráfica del simulador virtual que aunque las ondas son iguales no se superponen y si cambiamos el eje horizontal al tiempo rápidamente encontramos que la onda azul alcanza su pico más rápido, mientras que la amarilla lo alcanza cierto tiempo después, esto indica retraso en el voltaje.

atenuación o superposición mediante la fórmula de la división de nuestro 𝜟B/2

Cuando evaluamos las gráficas del osciloscopio que al igual que en el circuito RC fueron desarrolladas en el modo DC (Directo) la onda de color amarillo, si utilizamos una relación de cambiar de los ejes alcanza su pico máximo en un tiempo menor a la del azul, y de igual manera en la parte de abajo, en este caso el la onda amarilla presenta un adelanto queriendo

Realizando los cálculos y la respectiva comparación con nuestra amplitud encontramos que se establece una atenuación, porque el voltaje disminuye 1.23 veces con respecto al que tenemos.

Realizando los respectivos cálculos encontramos que la señal disminuyo 1,26 podemos afirmar que hay una atenuación que es la perdida de potencia sufrida por la misma al transitar por cualquier medio de transmisión.

la frecuencia, analizamos 1/T o 1/Fr de la fuente, en este caso nuestros simuladores virtuales tenían frecuencia 60 Hz, moviendo las líneas verticales y horizontales a los picos de las ondas encontrábamos el periodo dependiendo de cómo ubicáramos las líneas y logramos concluir que no existe una alta variación, pues los valores se acercan, porque no hay un cambio significativo.

Cuando encontramos el cambio de la frecuencia de la señal de entrada respecto a la de salida, empleando el mismo análisis explicado en los circuitos RC llegamos a la conclusión de que no existe una alta variación, igualmente sus valores se tienden a acercar.

5 Reporte de investigación del subgrupo A5, grupo H2A, presentado al profesor David Alejandro Miranda Mercado en la asignatura de Laboratorio de Física 3.

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro decir que el voltaje esta adelantado.

Figuras 5, 6. Montaje de circuito RC https://dcaclab.com/es/lab Figura 7. Montaje de circuito RL https://dcaclab.com/es/lab

Tabla 2. Amplitud de la señal de voltaje medida A en función de la frecuencia y la capacitancia para una amplitud de voltaje en la fuente V = 1.5 [V]. Frecuencia [Hz]

C1 = 300 [F]

C2 = 450 [F]

C3 = 500 [F]

f1 = 30

A = 16.4 [V]

A = 16.8 [V]

A = 16.1 [V]

f2 = 45

A = 10.7 [V]

A = 11.3[V]

A = 11.9 [V]

f3 = 60

A = 8.4 [V]

A = 8.1[V]

A = 8.6 [V]

*Cálculos para hallar la amplitud: 6 Reporte de investigación del subgrupo A5, grupo H2A, presentado al profesor David Alejandro Miranda Mercado en la asignatura de Laboratorio de Física 3.

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𝑨=

𝜟𝑽 𝟐

1. Para la Capacitancia de 300 [F] Frecuencia 30 Hz Frecuencia de 45 Hz 𝐴=

32.8 = 16,4 𝑉 2

𝐴=

21.4 = 10.7 𝑉 2

Frecuencia de 60 Hz 𝐴=

16.8 = 8.4𝑉 2

2. Para la Capacitancia de 450 [F] Frecuencia 30 Hz 𝐴=

33.6 = 16.8 𝑉 2

Frecuencia de 45 Hz 𝐴=

22.6 = 11.3 𝑉 2

Frecuencia de 60 Hz 𝐴=

23.9 = 11.9 𝑉 2

3. Para la Capacitancia de 500 [F] Frecuencia 30 Hz 𝐴=

16.8 = 8.4 𝑉 2

Frecuencia de 45 Hz 𝐴=

16.2 = 8.1 𝑉 2

Frecuencia de 60 Hz 𝐴=

17.2 = 8.6 𝑉 2

Figura 8. Montaje de circuito con variaciones en su frecuencia y capacitores https://dcaclab.com/es/lab

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ANÁLISIS DE RESULTADOS.

Por medio de las tablas intentamos explicar detalladamente las ecuaciones que se emplearon, sin embargo es importante mencionar que para encontrar qué onda se encontraba adelantada o atrasada estudiamos el video https://es.khanacademy.org/science/electrical-engineering/ee-circuitanalysis-topic/ee-ac-analysis/v/ee-lead-lag que presentan dos términos nuevos que nos van a ayudar a comprender mejor la relación entre el seno y el coseno que es finalmente la comparación entre la onda azul y amarilla o las diferentes entidades que existen que tienen la misma frecuencia pero diferente relación temporal.

Figura 9. Ondas seno y coseno con adelanto y atraso 1

1

En el segundo y tercer ítem dela primer tabla utilizamos las ecuaciones 𝑇 = 𝑓 𝑓 = 𝑇 reemplazamos

los valores en estas fórmulas tanto en los circuitos Rl como RC mediante la fórmula de la división de nuestro 𝜟B/2 encontrando la amplitud dividiéndola con el voltaje de entrada (1.5V) que utilizamos en ambos casos, los valores de nuestro 𝜟B y la amplitud son aquellos que arroja el simulador cumpliendo con las condiciones que presentaba la tabla, para obtener si efectivamente hubo atenuación o superposición, o cambio en la frecuencia de nuestra señal, obteniendo un análisis

cualitativo y cuantitativo.

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Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro En la segunda tabla realizamos exactamente lo exigido en la práctica cambiándole valores a las frecuencias y capacitores encontrando la amplitud, esos cálculos se desarrollaron anteriormente con su fórmula respectiva apreciando los diferentes valores que se establecen en la amplitud con un cambio de 2 factores pero mismo voltaje en la fuente.

Figura 9. Montaje de circuito con voltaje de 1.5 empleado en la tabla https://dcaclab.com/es/lab

CONCLUSIONES • • • • • • • •

Los valores de R y C más altos dan constantes de tiempo más largos. La frecuencia actúa de manera inversa al periodo. La constante de tiempo establecida por R y C determina la frecuencia del oscilador. En un circuito RC el voltaje está retrasado con respecto a la corriente En el circuito RL el voltaje está adelantado con respecto a la corriente, el inductor almacena la corriente La resistencia fija la corriente La diferencia de fases se mide en un mismo instante para las dos ondas, pero no siempre en un mismo lugar del espacio. Un condensador necesita tiempo para cargar en función de la corriente que pasa por él.

REFERENCIAS SERWAY, R. A. (1992). PHYSICS FOR SCIENTISTS & ENGINEERS WITH MODERN PHYSICS / Raymond A. Serway. Philadelphia : Saunders College Pub., 1992. Recuperado a partir de 9 Reporte de investigación del subgrupo A5, grupo H2A, presentado al profesor David Alejandro Miranda Mercado en la asignatura de Laboratorio de Física 3.

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=cat00066a&AN=BUIS.1131923&lang=es&site=eds-live

Laboratorio Virtual de circuitos. explicado por el profesor, utilizando los simuladores Recuperado de https://dcaclab.com/ Recuperado a partir de http://myelectronic.mipropia.com/osciladores.html?i=1 http://myelectronic.mipropia.com/Temporizacion/Osciladores%20generalidades.pdf Barrat C., Strobel G. L. Sliding friction and the harmonic oscillator. Am. J. Phys. 49 (5) May 1981, pp. 500-501 Laws P. W. A unit on oscillations, determinism and chaos for introductory physics students. Am. J. Phys. 72 (4) April 2004, pp. 446-452.

ANEXOS

Figura 10. Montaje de circuito con resistencia de 600 Ohmhttps://dcaclab.com/es/lab

10 Reporte de investigación del subgrupo A5, grupo H2A, presentado al profesor David Alejandro Miranda Mercado en la asignatura de Laboratorio de Física 3.

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Figura 11. Montaje de circuito con resistencia de 400 Ohm y capacitor de 400 https://dcaclab.com/es/lab

Figura 12. Montaje de circuito con resistencia de 500 Ohm y capacitor de 200 https://dcaclab.com/es/lab

11 Reporte de investigación del subgrupo A5, grupo H2A, presentado al profesor David Alejandro Miranda Mercado en la asignatura de Laboratorio de Física 3.