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• Luis Vàsquez

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MEDICIONES ELECTRICAS 1. OBJETIVOS 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.

Conocer e interpretar la simbología de los instrumentos de medición de voltaje, corriente y resistencia. Conocer y aplicar las técnicas adecuadas para la medición de voltaje, corriente y resistencia. Manejar adecuadamente los instrumentos de medición de magnitudes eléctricas estudiados. Determinar fuentes de error en las mediciones de voltaje, corriente y resistencia.

2. FUNDAMENTO TEORICO Instrumentos de medidas eléctricas. Hay diferentes métodos e instrumentos que se emplean para medir la corriente y el voltaje. Las mediciones de voltaje se efectúan con dispositivos tan variados como voltímetros electromecánicos, voltímetros digitales, osciloscopios y potenciómetros. Para medir intensidades de corriente se emplean los instrumentos llamados amperímetros. Algunos amperímetros funcionan sensando realmente la corriente, mientras que otros la determinan indirectamente a partir del voltaje, el campo magnético o el calor. Los medidores que determinan el voltaje y/o corriente se pueden agrupar en dos clases generales: analógicos y digitales. Aquellos que emplean mecanismos electromecánicos para mostrar la cantidad que se está midiendo en una escala continua, pertenecen a la clase analógica (Fig.1). Los medidores digitales utilizan circuitos integrados en su construcción y muestran sobre una pantalla la cantidad medida en forma de dígitos (Fig.2).

200 500 1k



0

0

100 2 10 50

50

20

4 6 20 30 100 150

0

10

5

2

8 40 200 10 50 250

0

0ADJ

DCV

1000 1000 25 ACV 250 05 50 10 01 x1k 0 2. x10 50 x1  5 50A 2.5 2 250

DCmA 5

COM

Figura 1: Multímetro analógico

Figura 2: Multímetro digital

Los instrumentos de medición de voltaje (tensión eléctrica), intensidad de corriente y resistencia eléctrica se disponen en un solo instrumento denominado multímetro o multitester, el cual mediante un selector se dispone como: a) Voltímetro: instrumento para medir diferencias de potencial (tensión eléctrica, voltaje o fuerza electromotriz) b) Amperímetro: instrumento para medir intensidades de corriente

2

c) Ohmímetro: instrumento para medir la resistencia eléctrica Un multímetro analógico consta básicamente de un galvanómetro D'Arsonval (Fig.3); instrumento de muy alta sensibilidad a la corriente, pues láser es capaz de detectar intensidades de hilo de suspensión + corriente del orden de los microamperios. espejo 5 0 Consta de un imán permanente en cuyo entrehierro se encuentra un cilindro que 5 bobina sirve de núcleo a una bobina rectangular N suspendida. Al circular la corriente en la S bobina, se genera en ésta, un torque que hace girar a la bobina un ángulo  + proporcional a la intensidad de corriente Este movimiento es detectado por el haz Figura 3: Galvanómetro D'Arsonval. de luz reflejado del espejo en el hilo de suspensión. En lugar del haz de luz sirve igualmente una aguja muy liviana fija a la bobina. El multímetro digital basado íntegramente en la utilización de los circuitos integrados convierte la tensión o la intensidad de corriente, que son magnitudes continuas, en pulsos o señales eléctricas discretas (digitales) o bits y muestra el valor numérico de la magnitud que se mide en una pantalla.

A 

R

 S (a) Amperímetro



V

R

S (b) Voltímetro

R

 S

(c) Ohmímetro

Figura 4. Conexiones para: (a) el amperímetro, (b) el voltímetro y (c) el ohmímetro Amperímetro. El amperímetro debe conectarse como se indica en la Figura 4a. Esto es, en serie con la resistencia R si deseamos medir la intensidad de corriente que atraviesa dicha resistencia. Lo deseable es que la inserción del amperímetro en el circuito no perturbe la corriente, en consecuencia la resistencia propia o interna de un amperímetro ideal es cero. Los amperímetros reales siempre tienen algo de resistencia interna. La sensibilidad del amperímetro indica la corriente mínima necesaria para una desviación a plena escala. Los medidores de alta sensibilidad dan lecturas muy pequeñas a escala completa. Voltímetro. La conexión del voltímetro para medir la diferencia de potencial entre los extremos de la resistencia R está indicada en la Figura 4b. Un voltímetro es ideal cuando no perturba la corriente del circuito; esto sólo es posible cuando la resistencia propia del voltímetro es infinita. Los voltímetros reales trabajan tomando algo de corriente y perturbando al circuito hasta cierto grado. La sensibilidad de un voltímetro se puede especificar por el voltaje necesario para una deflexión a escala completa. Un voltímetro ideal tendría una relación ohm/volt infinita. Ohmímetro. La conexión de un ohmímetro se hace como en la Figura 4c. Durante su uso, el ohmímetro aplica a la resistencia en medición el voltaje de una batería interna. Y por tanto, los ohmímetros se deben emplear solo en circuitos que no contengan fuentes de tensión. Antes de realizar la medición debe asegurarse que la lectura del instrumento indique cero cuando se hace conexión entre sí las puntas del ohmímetro. En caso contrario corregir el defecto usando la perilla de ajuste del cero 0 ADJ.

3 El Protoboard, o tableta experimental, es una herramienta que nos permite interconectar elementos electrónicos, ya sean resistencias, capacidades, semiconductores, etc, sin la necesidad de soldar las componentes. El protoboard esta lleno de orificios metalizados -con contactos de presión- en los cuales se insertan las componentes del circuito a ensamblar. La Figura 5 muestra la forma básica de un protoboard, estando los protoboards más grandes compuestas de varias de estos.

Figura 5. El protoboard y sus cuatro secciones principales. La tableta experimental esta dividida en cuatro secciones, y cada una de estas se encuentran separadas por un material aislante. Los puntos de cada sección están conectados entre si tal como lo muestra la Figura 5. Las secciones uno y cuatro están formadas por dos líneas o nodos. Estas son normalmente utilizadas para conectar la alimentación del circuito, y así energizarlo. Por otro lado en las secciones dos y tres se encuentran conectados cinco orificios verticalmente, formando pequeños nodos independientes unos de otros. Recuerde que la figura muestra como están conectados internamente los orificios, por lo que no es necesario rehacer estas conexiones.

3. RESUMEN Este experimento es muy importante porque nos ayudó a familiarizarse con los instrumentos de laboratorio tales como el amperímetro (± 0.6mA) , voltímetro (± 0.5V) , ohmímetro (± 1Ω) , o también un instrumento que funciones como los tres instrumentos anteriores que se llama el miltitester. Este experimento se trabajó en dos clases, la primera fue para poder aprender a colocar el circuito con mucho cuidado porque podía ocurrir un accidente si no se conecta correctamente. Luego con cada una de las resistencias de fueron hallando sus valores de manera nominal, donde había un cuadro y con un método de colores pudimos hallar su valor de cada resistencia. Después de eso dicho circuito fue conectado a una fuente de corriente continua donde fueron medidos los voltajes en cada resistencias, el voltímetro se conectó en paralelo, después también fueron medidos las resistencias con el ohmímetro, el voltaje de la fuente también fue calculada. Dichos datos fueron apuntados y presentados al profesor de laboratorio.

4 La segunda clase aprendimos a calcular las intensidades repitiendo los mismos pasos de la primera clase; solo que esta vez, utilizamos el amperímetro para hallar las intensidades, “el amperímetro se conectaba en serie”, también fue medida la intensidad que salía de la fuente. Finalmente dichos datos son apuntados y desarrollamos el circuito en forma teórica donde pudimos hallas las intensidades, voltajes en cada resistencia. Finalmente comparamos las medidas calculadas teóricamente y hechas experimentalmente y hallamos el porcentaje de error.

4. MATERIALES E INSTRUMENTOS (

)

Materiales

Instrumentos

Precisión

1 fuente de corriente continua

1 ohmimetro

± 1Ω

1 tablero de resistencia

1 voltimetro

± 0.5V

5 resistencias de carbón

1 Amperimetro

± 0.6mA

5. PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES (

)

5.1 Medición de Resistencias a) Seleccionar las resistencias R1, R2, R3, R4, R5 y determine sus valores (valores nominales) según el código de colores que se muestra en la Tabla 1. Tabla 1: Código de colores

Ejemplo: Valor de una resistencia eléctrica R, según el código de colores

1 2 102 5% 10% 20%

DORADO

Tolerancia

ROJO

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Factor multiplicador 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109

ROJO

Negro Marrón Rojo Anaranjado Amarillo Verde Azul Violeta Gris Blanco ORO PLATA SIN COLOR

DIGITO

MARRON

COLOR

5%

Valor de R: (1200  60)

b) Anote en la Tabla 2, los valores (valores medidos) correspondientes para cada resistencia del ítem anterior utilizando el multitester (ohmímetro). Vea figura 6

5

Figura 6. Método para medir la resistencia eléctrica Tabla 2: Valores medidos y nominales para las cinco resistencias a utilizar. Resistencia

Valor medido (Ω)

Valor nominal (Ω)

R1

934 ± 1

1000 ± 50

R2

4660 ± 1

4700 ± 235

R3

6740 ± 1

6300 ± 340

R4

2170 ± 1

2200 ± 110

R5

5550 ± 1

5600 ± 280

5.2 Medición de tensiones e intensidades de corriente a) Arme el circuito de la Figura 7 en el protoboard y una vez asegurada su correcta instalación, active la fuente y regule la tensión a 5 V.

R3

R1

R2

R4 I

R5

 +



Figura 7: Red de resistencias.

6 b) Coloque el selector del multímetro en la posición DCV y elija el rango de la escala a utilizar. Luego mida las tensiones en la fuente y en cada una de las 5 resistencias. Haga en cada caso la conexión que sugiere la Figura 4b. Anote sus resultados en la Tabla 3. c) Coloque el selector del multímetro en la posición DC mA y mida la intensidad I que corresponde a cada resistencia (en cada caso use la sugerencia de la Figura 4a). Escriba sus resultados en la Tabla 3 Tabla 3: Valores de voltaje e intensidad de corriente. Componente

Voltaje (V)

Intensidad (mA)

R1

0.4 ± 0.01

0.4 ± 0.6

R2

0.4 ± 0.01

0.1 ± 0.6

R3

3.318 ± 0.01

0.5 ± 0.6

R4

0.767 ± 0.01

0.32 ± 0.6

R5

0.767 ± 0.01

0.15 ± 0.6

Fuente 

4.49 ± 0.01

0.5 ± 0.6

5. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS (

)

5.1 La teoría de circuitos permite afirmar que en la Figura 5 deben verificarse las siguientes identidades: Primera identidad:

V1  V2

Tercera identidad:



Segunda identidad:

V 4  V5

 V1 + V3 + V5

Verifique cada una de estas identidades, anotando la discrepancia (diferencia ) entre sus dos miembros y expresándolas luego en porcentaje (%). Tabla 4: Verificación de las identidades para lo voltajes. Identidad Primer miembro

Segundo miembro Discrepancia  Discrepancia en %

Primera

V1

0.4V

V2

0.4V

0

(/V1)x100

0%

Segunda

V4

0.767V

V5

0.767

0

(/V4)x100

0%

Tercera



4.49V

V1+V3+V5

4.485V

0.005

(/)x100

0.5%

5.2 Señale dos factores determinantes de las discrepancias del item anterior Tienen su fuente en los aparatos de medida debido a una mala calibración de estos o por operar fuera de sus límites normales de funcionamiento.

7 5.3 En el circuito de la Figura 5 deben verificarse las siguientes identidades: Primera identidad:

I  I1 + I2

Tercera identidad :

I3  I

I  I4 + I5

Segunda identidad:

5.4 Verifique cada una de las identidades anteriores, anotando la discrepancia (diferencia ) entre sus dos miembros y expresándolas luego en por ciento. Tabla 5: Verificación de las identidades para las intensidades de corriente. Identidad Primer miembro Segundo miembro Discrepancia  Discrepancia en % Primera

I

0.5A

I1 + I2

0.5A

0

(/I )x100

0%

Segunda

I

0.47

I4 + I5

0.47A

0

(/I)x100

0%

Tercera

I3

0.5

I

0.5

0

(/I3)x100

0%

5.5 Señale dos factores determinantes de las discrepancias del item anterior No hay discrepancia en las intensidades anteriores.

6. RESULTADOS (

)

N

Valores medidos de Resistencias(Ω)

Voltaje en cada resistencia V (V)

Intensidad en cada resistencia I (mA)

1

934

0.4

0.4

Para cada resistencia Cociente V/I 1.000

2

4660

0.4

0.1

4.000

3

6740

3.318

0.5

6.636

4

2170

0.767

0.32

2.397

5

5550

0.767

0.15

5.113

7. CONCLUSIONES (   

)

Todas las resistencias presentan un margen de error que identificamos como tolerancia, el cual representa también un margen de error en los cálculos realizados a partir de ellas Cuando hay que realizar un cambio de escala en el multímetro cuando se está midiendo corriente, este debe hacerse con las puntas de prueba fuera del circuito en cuestión por protección del tester Para calcular de manera efectiva el margen de error entre dos lecturas de la misma magnitud, se debe tener en cuenta que las cifras significativas juegan un papel muy importante en cuando a la exactitud del margen de error para elegir los resistores que deben montarse sobre un circuito debe tenerse muy en la cuenta la corriente que va a pasar por ellos y así mismo determinar la potencia que deben soportar para evitar averías en los mismos.

8

PREGUNTAS 7.1 ¿Cómo afecta la resistencia propia del amperímetro y voltímetro en la medición de la intensidad y voltajes? Las resistencias propias de un amperímetro es muy pequeña que tiende a cero y por eso no afecta al circuito. El Amperímetro lo instalamos en serie y por esas razones funciona como un cable normal; pero la resistencia propia de un voltímetro es muy grande que tiende al infinito y al instalarse un voltímetro es como se cortara el cable por su mayor resistencia interna. Es por eso que el voltímetro se instala en paralelo.

7.2 Determinar las fuentes de error en las mediciones de voltaje, corriente y resistencia.

Estas fuentes de error pueden estar basados en: 

Error humano, se deben a despistes, desconocimiento de cómo realizar la medida, etc. Se corrigen siendo cuidadoso



Errores sistemáticos, tienen su fuente en lo aparatos de medida debido a una mala calibración de éstos o por operar fuera de sus límites normales de funcionamiento. Errores de resolución. Son debidos al mínimo cambio en la magnitud que es capaz de medir el instrumento. No podemos nunca medir con menor error que la precisión del instrumento de medida. La resolución de un instrumento deberá ser mayor o igual que su exactitud. Aproximaciones. Es común en el laboratorio realizar aproximaciones que simplifiquen los cálculos, estas aproximaciones tiene por objetivo conocer la magnitud aproximada del valor a medir a fin de tener un criterio de la bondad del valor medido. Es usual despreciar las contribuciones menores de un determinado valor relativo frente al principal. Este valor suele ser del orden de un 10% pues no suele necesitarse una precisión mayor en la mayoría de los montajes ya que las tolerancias de los componentes introducen variaciones mayores en el circuito. Al realizar la aproximación se introduce un error que debe de mantenerse limitado dentro del rango, ya que sucesivas aproximaciones van aumentando el error.







Error por efecto de carga. Definimos como efecto de carga a la modificación que introduce, en el circuito a medir, el aparato que realiza la medida. Esta modificación siempre existe ya que el aparato de medida siempre extrae cierta cantidad de energía para realizar la medida. La modificación introducida puede ser grande o pequeña en función de las características del aparato en relación con el circuito donde se realiza la medida.

9 Sin embargo, como habitualmente se conocen estas características, una vez realizada la medida con el circuito cargado se puede deducir cual hubiera sido la medida sin el aparato conectado. Si el efecto de carga es pequeño, es decir la modificación introducida es pequeña, no suele ser necesaria la corrección siendo suficiente la aproximación de despreciar el efecto de carga. Vamos a ver un ejemplo de cómo afecta la carga de los aparatos de medida. Vamos a considerar el circuito de la figura 16, donde la impedancia interna del aparato es de 1 M .

Este montaje se puede representar de la siguiente manera: La tensión real entre los puntos A y B es de 10 V. Sin

embargo, debido al efecto de carga del aparato de medida la lectura sería 6.6 V.



Cifras significativas. El valor de una determinada medida se debe dar con un conjunto de cifras significativas, un punto decimal y las unidades. Un ejemplo de esto lo podemos ver a continuación. Supongamos que hemos realizado la medida de una resistencia de valor R, el valor de esta resistencia la podemos expresar: a) 10 K b) 10000 Ω c) 10 Ω d) 10000.00 Ω. La forma de expresar el resultado en el caso a) y c) suponen que el valor de la resistencia está comprendido entre 9K9 Ω