• Author / Uploaded
• Nemrod Martínez

Citation preview

Laboratorio de Análisis de Circuitos Práctica 1 Introducción a Proteus ISIS Introducción

1

El empleo de las herramientas de cómputo es uno de los aprendizajes importantes en la formación de todo ingeniero. Pero dicha formación le debe permitir incursionar en el ámbito profesional, cuidando de no caer en la tentación de emplear esta herramienta sin la adecuada y correcta interpretación de los resultados, es decir, saber lo que se hace, realizar las modificaciones pertinentes si se requieren, y a dónde se quiere llegar.

a) Comprender los elementos básicos que ofrece Proteus ISIS para la simulación de circuitos eléctricos, y aplicarlo para resolver problemas de análisis de circuitos.

Proteus ISIS es una herramienta de cómputo muy poderosa y ampliamente utilizada para dibujar y simular circuitos eléctricos y electrónicos de manera gráfica. Esta herramienta de cómputo tiene varias ventajas; se pueden citar entre otras: analizar el comportamiento de un diseño eléctrico antes de construirlo, pudiendo modificarlo tantas veces como sea necesario hasta lograr la respuesta deseada; realizar diversas mediciones de prueba aún en condiciones extremas; analizar el comportamiento del circuito variando sus parámetros; cambiar los elementos u observar cómo afecta la temperatura al circuito, todo esto de una manera altamente interactiva. También permite fácilmente la representación gráfica de expresiones matemáticas, tanto de una como de dos variables independientes, por lo que es útil para la visualización de los diversos tipos de señales que se consideran en este curso.

Objetivos

b) Visualizar las gráficas de voltaje y de corriente de un circuito resistivo con una fuente de voltaje sinusoidal. c) Realizar el análisis denominado DC SWEEP o barrido de corriente directa, a un circuito resistivo con dos fuentes de voltaje independientes.

2

Actividades

a) Dibuje el circuito resistivo mostrado en la Figura 1 con Proteus ISIS, y realice la simulación, de manera que se pueda verificar la corriente y el voltaje en cada uno de los resistores del circuito. Para seleccionar los elementos del circuito, oprima el ícono Component Mode, que es el segundo ícono que se encuentra en el extremo izquierdo de la ventana del programa, luego oprima el botón P que se localiza abajo y a la derecha del ícono anterior, con lo cual se abrirá la ventana denominada Pick Devices. De dicha ventana en Category: seleccione Resistors, en Sub-category: Generic, coloque el cursor sobre el dispositivo RES debajo del letrero Device, y oprima dos veces el botón izquierdo del ratón, de tal forma que aparezca

1

la etiqueta RES en el cuadro denominado DEVICES que se encuentra a la izquierda. Luego, en Category: seleccione Simulator Primitives, coloque el cursor sobre el dispositivo VSOURCE, y oprima dos veces el botón izquierdo del ratón, de manera que aparezca este dispositivo en el cuadro DEVICES. Cierre la ventana Pick Devices. Ahora, dibuje el circuito en la ventana principal del programa, para lo cual simplemente se requiere seleccionar en el cuadro DEVICES el dispositivo que se desee insertar, por ejemplo, la fuente de voltaje VSOURCE, y luego se coloca el cursor donde se desee ubicar a este elemento y se oprime el botón izquierdo del ratón. Lo mismo se hace con los resistores, es decir, se selecciona del cuadro DEVICES el resistor genérico RES, y luego se oprime el botón izquierdo del ratón en cada una de las posiciones en las que se desee insertar un resistor. Para colocar en posición vertical a los resistores, sólo se requiere colocar el cursor sobre este dispositivo, oprimir el botón derecho del ratón y seleccionar el ícono de giro en sentido horario (también puede ser en sentido antihorario). Para facilitar el alambrado del circuito, se sugiere oprimir el ícono Selection Mode que se localiza inmediatamente arriba del ícono Component Mode anterior, se coloca el cursor sobre el extremo de una terminal del elemento que se quiere conectar, y cuando aparezca un pequeño cuadro rojo en dicho punto junto con la imagen de un lápiz, se oprime el botón izquierdo del ratón, se suelta dicho botón y se mueve el cursor hasta el extremo de la terminal a la que se desea realizar la conexión, y cuando aparece el pequeño cuadro rojo junto con el lápiz, se oprime nuevamente el botón izquierdo del ratón. La modificación de los valores de los dispositivos se hace de la siguiente forma: primero, se coloca el cursor sobre el elemento, se oprime el botón derecho del ratón y se selecciona la opción Edit Properties. Para el caso de los resistores, sólo se requiere

introducir su resistencia en la caja de Resistance:, y para la fuente de voltaje, en la caja Voltage: se introduce el valor correspondiente. Para realizar correctamente la simulación, es forzoso incluir en el dibujo del circuito el símbolo de nodo de referencia, conocido coloquialmente como “la tierra”. Para ello se oprime el ícono Terminals Mode que se encuentra seis íconos debajo del ícono Component Mode mencionado, y se selecciona la opción GROUND. Luego, se coloca el cursor en la posición en la que se desea insertar dicho símbolo y se oprime el botón izquierdo del ratón. Finalmente, se requiere conectarlo al nodo correspondiente del circuito. Para obtener los valores de caída de potencial e intensidad de corriente que circula por cada uno de los resistores, oprima el botón Play que se encuentra en el ángulo inferior izquierdo de la ventana de programa, e inmediatamente el botón Pause, dos botones a la derecha del anterior; luego coloque el cursor sobre el resistor del que deseen obtener sus parámetros, y oprima el botón izquierdo; aparecerá un cuadro en el que podrá verificar los valores de voltaje en cada terminal, la caída de potencial en dicho dispositivo (RELATIVE VOLTEGES), y la intensidad de corriente que circula por él así como la potencia que disipa.

Figura 1 Circuito resistivo 1. Para visualizar más fácilmente los valores anteriores, coloque un amperímetro en serie y un voltímetro en paralelo con cada resistor. 2

Para colocar los amperímetros, es necesario eliminar el alambrado que une alguna de sus terminales con el nodo correspondiente, luego abra un espacio suficiente para colocar dicho instrumento, oprima el ícono de Virtual Instruments Mode, seleccione el DC AMMETER, oprima el botón izquierdo sobre el circuito, coloque el amperímetro en el lugar idóneo y conecte sus terminales al resistor y al nodo en donde se eliminó el alambrado.

simulación de manera similar al circuito anterior, conectando amperímetros y voltímetros a cada uno de los resistores, insertando un amperímetro a la rama por la que circula la corriente i. Verifique que se cumplen las leyes de voltaje y de corriente de Kirchhoff. En particular, verifique que la corriente denominada i tiene un valor de 1 A.

En caso de que los valores que se obtengan sean menores a la unidad, se puede cambiar su resolución colocando el cursor sobre dicho amperímetro, luego se oprime el botón derecho, se selecciona la opción Edit Properties, y en la caja de texto Display Range: se selecciona Milliamps o Microamps, según la resolución deseada, Los voltímetros se pueden obtener de forma similar a los amperímetros, sólo que seleccionando el DC VOLTMETER. Para su conexión no es necesario eliminar el alambrado, sino que se alambran directamente sus terminales con las terminales del resistor a medir. Al igual que el amperímetro, se puede modificar su resolución de forma similar al descrito en el párrafo anterior. Verifique que se cumplen las leyes de voltaje y de corriente de Kirchhoff, e imprima el circuito trazado, en el que deberán aparecer los valores de las corrientes y los voltajes de cada uno de los resistores. b) Dibuje con Proteus ISIS el circuito resistivo mostrado en la Figura 2, y realice la

Figura 2 Circuito resistivo 2. Imprima el circuito trazado, en el que deberán aparecer los valores de las corrientes y los voltajes de cada uno de los resistores. c) El circuito mostrado en la Figura 3 se denomina escalera R – 2R, debido a los valores de los resistores que lo conforman, y se emplea frecuentemente en dispositivos electrónicos tales como los convertidores analógico – digitales y digital – analógicos, y sirve para obtener un conjunto de voltajes n

⎛1⎞ referidos a las potencias sucesivas de ⎜ ⎟ . ⎝2⎠

Figura 3 Circuito escalera R – 2R. 3

Dibuje con Proteus ISIS el circuito resistivo mostrado en dicha Figura, y realice la simulación colocando puntas de prueba de voltaje en los nodos V1, V2, V3, V4, y V5. Para lograr esto último, oprima el ícono Voltage Probe Mode cuya figura es una punta de multímetro y sobre ella tiene la letra V, y oprima el botón izquierdo del ratón en las posiciones en donde quiera colocar dichos elementos. Alámbrelos a los nodos mencionados, y modifique sus etiquetas de manera que sean iguales al nombre de dichos nodos (aunque en realidad el nombre puede ser el que se desee).

conexión, oprima el ícono Current Probe Mode cuya figura es una punta de multímetro y sobre ella tiene la letra I, y oprima el botón izquierdo del ratón en la posición en la que desee colocarlo; para conectarlo se requiere primero “alambrar” de la terminal del resistor de 10 Ω a la terminal de dicha punta de prueba, y luego de dicha terminal al nodo de “tierra”. Este elemento no funciona si no se sigue el procedimiento anterior y se conecta su terminal directamente al nodo. Cambie el nombre de la etiqueta de este punto de prueba a i1.

Compruebe que los valores de los voltajes V1, n

⎛1⎞ V2, V3, V4 y V5 tienen la relación ⎜ ⎟ ⎝2⎠ con respecto al valor del voltaje de la fuente de 16 V. Verifique que se cumple la ley de voltaje de Kirchhoff. Imprima el circuito trazado, en el que deberán aparecer los valores de los voltajes de cada uno de los nodos con respecto a la tierra. d) Dibuje con Proteus ISIS el circuito resistivo mostrado en la Figura 4, que contiene una fuente de voltaje sinusoidal. Luego de colocar el cursor sobre dicha fuente, oprimir el botón derecho y seleccionar la opción Edit Properties, establezca para dicha fuente los siguientes parámetros, en las cajas de texto correspondientes: DC Offset: = 0 Amplitude: = 10 Frequency: = 100 Time Delay: = 0 Damping Factor: = 0. Para dibujar las gráficas del voltaje v1 y la corriente i1, primero coloque un punto de prueba de voltaje en el nodo central, y nómbrelo v1, por medio del procedimiento explicado en el punto c), y luego elimine la conexión de la terminal inferior del resistor de 10 Ω de la rama central y “tierra”, y coloque adecuadamente una punta de prueba de corriente en su lugar. Para realizar esta

Figura 4 Circuito con fuente de voltaje sinusoidal.

Posteriormente, oprima el ícono de Graph Mode, seleccione la opción ANALOGUE, y abra la gráfica correspondiente, para lo cual se requiere colocar el cursor en algún lugar en el tenga espacio suficiente, y luego oprimir el botón izquierdo, mover el ratón hasta un punto en el que dicha gráfica tenga un tamaño adecuado, y oprimir nuevamente el botón izquierdo. Luego, coloque el cursor sobre la gráfica anterior, oprima el botón derecho, seleccione la opción Edit Graph, y escriba en la ventana que se abre los siguientes parámetros, en las cajas de texto correspondientes: Start time: = 0 Stop time: = 50m (50 milisegundos) Left Axis Label: = v1, en V

Right Axis Label: = i1, en A 4

Oprima el botón OK, y cuando aparezca el cuadro de diálogo Resimulate?, oprima el botón No.

producto de la resistencia por la intensidad de corriente que circula por él, es decir, v1 = R*i1, por tanto, 3.51 V = 10 Ω*0.351 A.

Vuelva a colocar el cursor sobre la gráfica, oprima el botón derecho y seleccione la opción Add Traces… En el cuadro de diálogo que se abre, en la caja de Name: escriba v1, en la de Probe P1: seleccione la etiqueta v1, deje todos los demás parámetros sin modificar, y oprima el botón OK.

Imprima tanto el diagrama esquemático del circuito, como las gráficas del voltaje v1 y la intensidad de corriente i1 obtenidas.

Nuevamente coloque el cursor sobre la gráfica, oprima el botón derecho y seleccione la opción Add Traces… Ahora en la caja de Name: escriba i1, y en la de Probe P1: seleccione la etiqueta i1; ahora para el parámetro Axis: seleccione la opción Right, deje todos los demás parámetros sin modificar, y oprima el botón OK.

En el reporte de la práctica realice el cálculo del periodo T, la frecuencia f y la frecuencia angular ω de la fuente de voltaje sinusoidal, y escriba la expresión matemática de este voltaje con respecto al tiempo. e) Dibuje con Proteus ISIS el circuito resistivo con dos fuentes, mostrado en la Figura 5.

Finalmente, coloque el cursor sobre la gráfica, oprima una vez más el botón derecho del ratón y seleccione la opción Simulate Graph, para que aparezcan las gráficas sinusoidales del voltaje v1 y la intensidad de corriente i1 con respecto al tiempo. Si se deseara obtener los valores de v1 e i1 para un determinado valor del tiempo, por ejemplo, para t = 31 ms, conviene maximizar la gráfica, colocando el cursor sobre ella, oprimir el botón derecho del ratón y seleccionar la opción Maximize (Show Window). Ya que se tiene una ventana ampliada, se coloca el cursor aproximadamente sobre el punto que se desea medir, en este caso sobre la gráfica de v1 a la derecha de la vertical que indica una abscisa de 30 ms; luego con las teclas flecha izquierda y/o flecha derecha se busca la posición para la cual TIME valga 31.0m (ms), para el cual se puede verificar que le corresponde un valor de v1 = 3.51 (V); estos valores aparecen en la parte inferior de la ventana de la gráfica. Para el valor de i1 el procedimiento es similar, sólo seleccionando el punto sobre la gráfica de intensidad de corriente. Se puede observar que el valor para dicha abscisa es i1 = 351m (mA) y por consiguiente, se cumple la Ley de Ohm: la caída de potencial en el resistor es igual al

Figura 5 Circuito resistivo con dos fuentes.

Se desea verificar qué es lo que ocurre con la fuente de de 5 V para diferentes valores de V1, es decir, si la fuente de la derecha suministra energía, absorbe energía, o no circula corriente por ella. Para lograr este objetivo, se puede observar el valor y el signo de la intensidad de corriente que circula por la citada fuente de 5 V, para diferentes valores de V1. Verifique que para V1 = 0 V, la fuente mencionada entrega energía, para V1 = 10 V, dicha fuente absorbe energía (se carga), y para V1 = 7 V, no circula corriente por ella. Anote los valores obtenidos en la simulación de las dos primeras configuraciones. Se puede establecer que si la caída de voltaje en el resistor de la rama central es de 5 V, por la fuente de la derecha no circulara corriente alguna, y por consiguiente esta situación se 5

presentará cuando V1 = 7 V, ya que en este caso particular se forma un divisor de voltaje con esta última fuente y los resistores de 4 y 10 Ω, este último de la rama central. Una manera más sencilla de analizar la situación es con la ayuda de un procedimiento conocido como barrido de corriente directa o barrido de CD. Para realizarlo, se requiere que a la fuente de voltaje V1 se le asigne un valor variable como sigue: coloque el cursor sobre dicha fuente, oprima el botón derecho del ratón, seleccione la opción Edit Properties, escriba en la caja de texto Voltaje: una X, y cierre la ventana oprimiendo el botón OK. Elimine la conexión del resistor de 10 Ω con la fuente de 5 V, e inserte adecuadamente un punto de prueba de corriente, tal como se explicó en el punto d). Conviene cambiar el nombre de su etiqueta a ig. Luego, abra una gráfica de barrido de CD, para lo cual se requiere oprimir el ícono Graph Mode, seleccionar la opción DC SWEEP, colocar el cursor en algún lugar en el tenga espacio suficiente, oprimir y soltar el botón izquierdo, mover el ratón hasta un punto en el que dicha gráfica tenga un tamaño adecuado, y oprimir nuevamente el botón izquierdo. Posteriormente, coloque el cursor sobre la gráfica anterior, oprima el botón derecho, seleccione la opción Edit Graph, y escriba en la ventana que se abre los siguientes parámetros, en las cajas de texto correspondientes:

Otra vez coloque el cursor sobre la gráfica, oprima el botón derecho y seleccione la opción Add Traces… En la caja de Name conviene que escriba ig, en la caja Probe P1: seleccione la etiqueta ig (o la etiqueta que haya asignado a la corriente de circula por el resistor de 10 Ω), y oprima el botón OK. Por último, coloque nuevamente el cursor sobre la gráfica, oprima el botón derecho y seleccione la opción Simulate Graph. Entonces, apareceré la gráfica de la intensidad de corriente que circula por la fuente de 5 V en función del voltaje de la fuente V1. Verifique los valores de la intensidad de corriente, ig, para V1 = 0 V, V1 = 10 V y V1 = 7 V, los cuales deben corresponder a los obtenidos anteriormente. Con base en esta gráfica se puede verificar fácilmente que para voltajes de V1 menores de 7 V, la fuente de 5 V suministra energía, y para valores de V1 mayores de 7 V, absorbe energía. Imprima tanto el diagrama esquemático del circuito, como la gráfica de la intensidad de corriente, ig, contra el voltaje de la fuente, V1. En el reporte de la práctica, verifique analíticamente el valor y el sentido de la corriente ig para V1 = 3.4 V, V1 = 7.0 V y V1 = 8.8 V.

3

Conclusiones, sugerencias y comentarios

_____________________________________

Sweep variable: = X (que es el valor que se introdujo en la caja de Voltage: de la fuente)

_____________________________________

Start value: = 0

_____________________________________

_____________________________________

Stop value: = 10 Nominal value: = 5

Facultad de Ingeniería, UNAM

No. steps: = 100

Laboratorio de Análisis de Circuitos, DIMEI Enero de 2010 YMK

Después, oprima el botón OK, y cuando aparezca el cuadro de diálogo Resimulate?, oprima el botón No.

6