Profesor: José Angel Garcia. PRACTICA No. 1 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y CIRCUITOS ELEMENTALES

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1 Profesor: José Angel Garcia PRACTICA No. 1 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y CIRCUITOS ELEMENTALES 1.- OBJETIVO. Familiarizar al alumno con los Instrumentos para Medición de Variables eléctricas, que usara frecuentemente en el laboratorio: Voltímetro, Amperímetro, Ohmímetro. Multímetros. 2.- EQUIPO NECESARIO. Fuente de Alimentación: Baterías, Fuentes DC. Multímetros Digitales. Resistencia de Carbón. Tabla de Pruebas. Cables de conexión. 3.- FUNDAMENTO TEÓRICO. Conceptos teóricos y fundamento de la Fuentes de Alimentación CONCEPTOS PRELIMINARES Se definirán algunos conceptos como son: Carga Eléctrica, Corriente Eléctrica, Resistencia Eléctrica y Diferencia de Potencial o Voltaje Carga Eléctrica. Es una propiedad física de la materia mediante el cual un cuerpo puede atraer o repeler eléctricamente a otro Corriente Eléctrica. Se define como la cantidad de carga que pasa por una sección transversal de un conductor en la unidad de tiempo Resistencia Eléctrica. La resistencia eléctrica de un conductor, se define como la razón de la Diferencia de Potencial entre sus extremos a la Intensidad de corriente que circula por él. 1

2 Diferencia de Potencial o Voltaje. Sea una región del espacio en la que existe un campo electrostático E, siendo A y B dos puntos fijos de esa región. Si se traslada una carga de prueba q o del punto A al punto B, a lo largo de una trayectoria C. Se define la Diferencia de Potencial (V B V A ) como el trabajo que se debe realizar, por unidad de carga, para llevar la carga de prueba desde A hasta B FUENTES DE ALIMENTACIÓN. Las fuentes de alimentación sirven para suministrar los voltajes necesarios para realizar los experimentos. De acuerdo al tipo de corriente que son capaces de suministrar se dividen en: fuentes de corriente continua y fuentes de corriente alterna Fuentes de Corriente Continua (DC). Para pequeñas Diferencias de Potencial o Voltajes pequeños, la fuente más común es la pila seca de 1,5 V o de 9 V, o un acumulador de vehículo de 12 V. En estos dispositivos las cargas eléctricas circulan en un solo sentido. Cuando se requieren potenciales variables, se construyen fuentes alimentadas con la red domiciliaria de 110 V y compuestas de: A) Un transformador con determinada relación, B) Un rectificador, C) Un filtro y D) Un potenciómetro. El rango de salida depende del diseño del fabricante. La figura 1, muestra el diagrama de bloques de este tipo de fuente, con una salida de 0-30 voltios no regulados, es decir, que el voltaje de salida cambia al ritmo como cambia la corriente de carga. 110 V AC B C D Salida Figura 1. Diagrama de Bloques de una fuente de alimentación DC. Cuando se requieren potenciales muy estables se utiliza una fuente regulada electrónicamente, la cual entrega un voltaje constante, a pesar de la variación de la corriente de carga, dentro de las especificaciones dadas por el fabricante. Así, 2

3 si un fabricante declara que su fuente entregará una salida de 0-30 voltios en 500 ma, esto significa que la tensión de salida se puede fijar en cualquier valor entre 0-30 V y el voltaje permanecerá constante, siempre y cuando la corriente drenada no sea mayor de 500 miliamperios (ma). Recordemos que 1 ma es igual a 1 x 10-3 amperios. El diagrama en bloques de ésta fuente sería similar al de la figura 1, lo adicional es un circuito regulador entre el filtro (C) y el potenciómetro (D). En el caso descrito, la fuente trabaja en la modalidad de voltaje constante. También podría trabajar en la modalidad de corriente constante, en este caso la corriente se puede fijar en cualquier valor entre ma y ese valor permanecerá constante siempre y cuando el voltaje no exceda los 30 V Fuentes de Corriente Alterna (AC). Figura 2. Fuente de alimentación DC. Cualquier fuente de corriente alterna se puede obtener de la alimentación domiciliaria de 110 V, que como se sabe oscila a la frecuencia de 60 Hertz. Si se requieren voltajes mayores o menores de 110 V, se utilizan transformadores de relación variable para aumentar o disminuir dicho voltaje, como se muestra en la figura 3. Para frecuencias superiores o inferiores a 60 Hertz deben emplearse osciladores electrónicamente controlados. 3

4 30 V AC 110 V AC 60 V AC Figura 3. Transformador de relación variable. Figura 4. Fuente de alimentación AC. 4.- DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS APARATOS RESISTENCIAS. Un componente eléctrico muy frecuentemente empleado en los circuitos electrónicos es la resistencia, que no es sino un elemento de circuito de valor resistivo especificado, su unidad es el ohmio que identificamos con la letra omega (Ω). Existen resistencias fijas y variables Resistencias Fijas. 4

5 Las resistencias fijas se fabrican de diferentes formas, tamaños y valores, Los valores van desde pocos ohmios hasta miles de ohmios (KΩ) e incluso millones de ohmios (MΩ). El símbolo convencional para representar una resistencia en el esquema de circuito es una línea quebrada como se indica en la figura Código de Colores. Figura 5. Símbolo empleado para representar una resistencia. Los fabricantes han adoptado un sistema de código de colores normalizado (estándar) E.I.A. (Electronic Industries Association) para determinar los valores óhmicos y sus respectivas tolerancias de las resistencias de baja potencia (1/4 W, 1/2 W, 3 W), las resistencias de mayor potencia suelen tener el valor óhmico y tolerancia impreso en su cuerpo. Este código implica el uso de bandas o franjas de colores sobre el cuerpo de las resistencias. Los colores y sus respectivos valores numéricos se dan en la tabla No. 1. Figura 6. Tabla No. 1. Código de Colores de Resistencias. 5

6 Figura 7. Resistencia con su Código de Colores. La resistencia básica está representada en la Figura 7, obsérvese las franjas de colores. El color de la primer franja indica la primera cifra significativa (se escribe). El color de la segunda franja indica la segunda cifra significativa (se escribe seguidamente a la primera). El color de la tercera franja indica el multiplicador (número de ceros que hay que añadir a las dos primeras cifras significativas o posición de la coma decimal). Se emplea una cuarta franja para indicar la tolerancia. La ausencia de la cuarta franja de color significa una tolerancia de un 20%. En la figura 7 la resistencia está codificada con los colores negro, amarillo, rojo y dorado. Su valor será: 04x10 2 Ω con una tolerancia del 5 %, es decir 400 Ω ± 20 Ω (20 Ω es el 5 % de 400 Ω). También se puede expresar como: 0,4 KΩ Resistencias Variables. Además de las resistencias de valor fijo se emplean ampliamente las resistencias variables. Se describirán dos (02) tipos de ellas: El reóstato y el potenciómetro. 6

7 Un reóstato tiene un valor máximo especificado por el fabricante y un valor mínimo, ordinariamente cero ohmios. La punta de flecha indica un medio mecánico de ajuste del reóstato para que la resistencia medida entre los puntos A y B, se pueda ajustar a un valor intermedio dentro del margen de variación. A B Figura 8. Resistencia de un reóstato. Los reóstatos de alambre se fabrican en intervalos de valores muy variados, desde unos pocos ohmios y una capacidad de corriente de más de 10 amperios, hasta valores de ohmios y corrientes de 0,25 amperios. Antes de usar un reóstato debe verificarse que la corriente no exceda la capacidad máxima especificada, la figura 9 muestra un reóstato comercial. Figura 9. Imagen de reóstato comercial. 7

8 La figura 10 muestra la conexión de un reóstato en un circuito. A V B Carga Conectada El Potenciómetro. Figura 10. Utilización de un reóstato en un circuito. El símbolo de un potenciómetro se representa en la figura 11 y su aspecto físico se muestra en figura 12. El símbolo indica que es un dispositivo de tres terminales, la resistencia entre los puntos A y D es fija. El punto C es el brazo variable, el brazo es un contacto o cursor metálico que se desplaza sobre la superficie no aislada del elemento de resistencia, seleccionando diferentes longitudes de su superficie resistiva. Así cuanto mayor es el área de la superficie comprendida entre los puntos A y C, mayor es la resistencia entre estos dos puntos. Análogamente, la resistencia entre los puntos D y C varía proporcionalmente a la longitud de elemento incluido entre los puntos D y C. C A Figura 11. Símbolo de un Potenciómetro. D 8

9 Figura 12. Aspecto físico de un Potenciómetro. Figura 13. Imagen de un Potenciómetro. El axioma que anuncia que todo es igual a la suma de sus partes se aplica a un potenciómetro, lo mismo que a las figuras geométricas. En este caso es evidente que las resistencias R AC desde A hasta C, mas la resistencia R DC desde C hasta D, constituye la resistencia fija del potenciómetro. El efecto del brazo es pues aumentar la resistencia entre C y uno de los terminales fijos, y a la vez disminuir la resistencia entre C y el otro terminal, mientras la suma de las dos resistencias R AC y R DC permanece constante e igual al valor dado por el fabricante. Se puede utilizar un potenciómetro como reóstato si el brazo central y uno de los terminales extremos son conectados en el circuito y el otro terminal queda sin conectar. Otro método de convertir un potenciómetro en reóstato es conectar un cable entre el brazo y uno de los terminales, por ejemplo C conectado al 9

10 punto A. Los puntos D y C sirven ahora como terminales del reóstato. La figura 14 indica la utilización de un potenciómetro en un circuito. A V D C Carga Conectada Figura 14. Imagen de un Potenciómetro Diferencias entre el Reóstato y el Potenciómetro. En teoría es lo mismo pero la diferencia estriba en que el reóstato está diseñado para soportar tensiones y corrientes mucho mayores, por ejemplo para controlar un encendido de bombilla y el potenciómetro para niveles mucho mas pequeños, por ejemplo para el volumen de audio de un equipo de sonido. Un reóstato es un resistor de resistencia variable. Es por tanto un tipo constructivo concreto de potenciómetro (resistencia variable) que recibe comúnmente este nombre en vez del de potenciómetro al tratarse de un dispositivo capaz de soportar tensiones y corrientes muchísimo mayores, y de disipar potencias muy grandes. Los reóstatos son usados en Ingeniería Eléctrica en tareas tales como el arranque de motores o cualquier tipo de tarea que requiera variación de resistencia en condiciones de elevada tensión o corriente. Un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. De esta manera, indirectamente se puede controlar la intensidad de corriente que hay por una línea si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial de hacerlo en serie. Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos con poca corriente, para controlar su paso, pues no disipan casi potencia, en cambio en los 10

11 reóstatos, que son de mayor tamaño, circula más corriente y disipan más potencia. Un Potenciómetro es un divisor resistivo variable, ajustable por medio de un cursor. Basicamente es una resistencia formada por una delgada pista de carbón de cuyos extremos salen dos terminales; a dicha pista la recorre un cursor que está vinculado a un tercer terminal. Figura 15. Imagen de un Potenciómetro de Laboratorio MULTÍMETRO DÍGITAL. El Multímetro digital es un instrumento de medición que se utiliza para medir voltaje, intensidad de corriente y resistencias a través de una visualización numérica directa, por lo que basta leer los números que aparecen en pantalla. Cuando se utiliza para medir voltajes se llama voltímetro, para medir corrientes amperímetro y para medir resistencia óhmetro. Figura 16. Imagen de un Multímetro Digital. 11

12 2.- Botón de encendido ON/OFF 1.- Pantalla 3.- Botón para congelar lectura 4.- Perillas para seleccionar la escala y tipo de medición 5.- Terminales para medir: Voltios, Resistencias, etc. 8.- Puntas de Medición 6.- Terminal para medir Corrientes 7.- Terminal común Figura 17. Partes de un Multímetro Digital. El aparato consta de las siguientes partes: 1.- Pantalla Digital de 3 o 4 dígitos. 2.- Botón de encendido o apagado. 3.- Botón para congelar la lectura. 4.- Perilla giratoria: Escogen el tipo de corriente o voltaje que se va a medir, es decir AC o DC. Así mismo selecciona también otras cantidades a medir: resistencia, capacitancia, frecuencia, y en algunos otros tipos, temperatura, transistores, diodos, etc. 5.- Terminal para medir Voltajes, Resistencias y otras variables. 6.- Terminales para medición de corrientes. 7.- Terminal común. 8.- Puntas de Medición. 12

13 Figura 18. Imagen de un Multímetro Digital que prueba Transistores y Diodos. Los errores asociados a los Multímetros analógicos como son: paralaje, histéresis del mecanismo, efecto de carga, entre otros, son eliminados con el Multímetro digital, por ello este último Multímetro es más exacto que el analógico. Figura 19. Imagen de una Pinza Amperimétrica y Multímetro Digital. 13

14 Medición de Voltaje DC y AC. Para medir voltaje el aparato debe conectarse en paralelo como se muestra en la figura 20. Debe girarse la perilla hasta donde la parte marcada de la misma se encuentre en la escala de Voltaje, que se indica con una V y con una línea recta debajo indicando que es V DC o con una señal sinusoidal indicando V AC. Figura 20. Forma de conectar el Multímetro para medir en ese caso Voltaje AC. Una característica importante de un voltímetro es su resistencia de entrada, la cual debe ser lo más alta posible para evitar que actúe como carga en el circuito a medir. Según el Fabricante, los Multímetros tienen diferentes rangos de medición, desde milivoltios (mv) hasta kilovoltios (kv). Cuando no se conoce la magnitud del voltaje a medir, siempre se coloca en la mayor escala y luego se va disminuyendo. Cuando se realiza una medición y se pulsa el botón HOLD, el equipo congela la última medida realizada, así se retiren las puntas del lugar donde se realiza la medida. Se debe estar pendiente de conectar los cables de medición en los terminales donde indica la letra V. 14

15 Medición de Corriente A. Para medir intensidad de corriente continua o alterna, el amperímetro se conecta en serie como se muestra en la figura 21. Debe girarse la perilla hasta donde la parte marcada de la misma se encuentre en la escala de Corriente, que se indica con una A y con una línea recta debajo indicando que es Corriente Continua o con una señal sinusoidal indicando Corriente Alterna. Figura 21. Forma de conectar el Multímetro para medir en ese caso Corriente Continua. Una característica importante de un amperímetro es su resistencia interna, mientras más baja ésta sea, mejor es la calidad del aparato. Puesto que la mayor dificultad para el estudiante se presenta en la medición de corriente, se dará una regla práctica para ello. a.- Identifique el Cable por donde circula la corriente que se desea medir. b.- Corte el cable (es decir, desconectarlo). c.- Del corte o desconexión quedan dos puntas, conecte las puntas de prueba del aparato a las puntas desconectadas del circuito, de esta manera queda el amperímetro en serie. d.- Si no hace el corte o desconexión el amperímetro puede quedar conectado en paralelo, quemando el fusible de protección del aparato o quemar el multímetro. 15

16 Medición de Resistencia (Ω). Para medir resistencia debe tenerse cuidado de quitar la fuente de suministro de energía al circuito y desconectar el elemento que se quiere medir del resto del circuito, como se muestra en la figura 22. Figura 22. Forma de conectar el Multímetro para medir Resistencias. Debe girarse la perilla hasta donde la parte marcada de la misma se encuentre en la escala de Resistencia, que se indica con el símbolo Ω. La lectura puede ser desde micro ohmios (µω), mili ohmios (mω), Kilo ohmios (KΩ) y Mega ohmios (MΩ). 16