PRACTICA 1: Instrumentación en corriente continua. Manejo del polímetro digital.

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1 PRACTICA 1: Instrumentación en corriente continua. Manejo del polímetro digital. ESTUDIO PREVIO El propósito de esta práctica consiste en familiarizarse con el manejo de los instrumentos de medida de magnitudes eléctricas, en particular con el polímetro. El polímetro es un instrumento que permite medir las magnitudes eléctricas fundamentales: intensidad de corriente y diferencia de potencial, así como la resistencia eléctrica. En nuestro caso, emplearemos un polímetro digital, que podrá funcionar como voltímetro, amperímetro u óhmetro. Los bloques básicos de que consta un polímetro digital son: Adaptador de la señal analógica de entrada (la intensidad de corriente o diferencia de potencial que se pretende medir). Conversor analógico-digital. Contador digital. Circuitos de control. Pantalla. Al polímetro se conectan unos terminales, o puntas, de prueba flexibles (una roja y otra negra; ver la fotografía del polímetro en el anexo). Los extremos de las puntas de prueba se colocarán entre los dos puntos donde se desea medir. El polímetro puede realizar medidas de corrientes y tensiones continuas (el objeto de esta práctica) o alternas y proporciona siempre el valor eficaz de la señal medida. Recordar que, en continua, el valor de la señal no cambia con el tiempo; por ello, el valor eficaz y el valor de pico de una señal continua coincide. No así en el caso de corrientes o tensiones alternas. En general, todo aparato de medida debe cumplir la condición de que al colocarse en el circuito no altere las condiciones de funcionamiento de éste. La forma de efectuar una medida con el polímetro depende del tipo de medida, como se explica a continuación. El voltímetro es el instrumento que se emplea para medir la diferencia de potencial (tensión) entre dos puntos; por tanto, se colocará entre esos dos puntos, en paralelo con el resto del circuito, como se ilustra en la figura. Según lo dicho en el párrafo anterior, un voltímetro ideal sería aquel que no dejase pasar intensidad a través de él, lo que equivale a decir que presentase una resistencia infinita entre sus terminales (circuito abierto). En la realidad, la resistencia interna de un voltímetro es finita, aunque de valor alto (del orden de 10MΩ). v R V v R V a) Voltímetro ideal con resistencia interna infinita. b) Voltímetro real con resistencia interna elevada en paralelo. El amperímetro se emplea para medir la intensidad de corriente que circula a través de un elemento de un circuito, colocándolo en serie con dicho elemento. El amperímetro Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 1.

2 ideal sería aquel en el que se produjera una caída de tensión nula entre sus extremos: esto equivale a decir que presentase entre sus terminales una resistencia nula (cortocircuito). Ahora bien, siempre hay una resistencia interna, lo que produce la aparición de pequeños errores en las medidas: A A a) Amperímetro ideal con resistencia interna nula. b) Ámperímetro real con resistencia interna pequeña en serie. El óhmetro es el instrumento básico para la medida de resistencias eléctricas; proporciona la lectura directa en ohmios. Para medir el valor de una, o de un conjunto de resistencias, estas se deben desconectar del circuito al que van conectadas. R Nota: En los esquemas de circuitos eléctricos, el valor de la resistencia suele expresarse con los símbolos R, K y M tomando el papel de la coma decimal. Ejemplos: 22 Ω 22R 2,2 kω 2K2 2,2 MΩ 2M2 Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 2.

3 PRÁCTICA Lista de material: Componente Valor Cantidad Fuente de alimentación - 1 Placa de conexiones - 1 Polímetro digital - 1 Resistencia cerámica 10 ohmios, 5 vatios 1 Resistencia 1k 1 Resistencia 1k5 2 Resistencia 2k2 1 Resistencia 5k6 1 Potenciómetro 10k 1 IMPORTANTE: PROCEDIMIENTO GENERAL DE OPERACIÓN A. MONTAJE Y ALIMENTACIÓN DEL CIRCUITO 1. Realizar el montaje de los componentes sobre la placa de conexiones. 2. Conectar la fuente, apagada, a la placa de conexiones. Se recomienda utilizar el riel superior (A) para conectar el terminal positivo de la fuente (+5 V o + 15 V) y el riel inferior (H) para conectar el terminal de referencia o masa (GND) o el terminal negativo ( 15 V). 3. Antes de alimentar el circuito, comprobar, de acuerdo con su código de colores, que el valor de las resistencias es correcto. Así se evitarán corrientes excesivas en el circuito o a través del polímetro (I máx = 200 ma). 4. Realizadas las comprobaciones anteriores, encender la fuente para alimentar el circuito. B. MANEJO DEL POLÍMETRO 5. Antes de conectar el polímetro al circuito para realizar una medida, asegurarse de que tanto el conmutador de escalas ( rueda situada en la parte dorsal del aparato) como las puntas de prueba roja y negra del polímetro se hallan en la posición adecuada. Esta posición variará en función de la magnitud que se desea medir (tensión, intensidad o resistencia) y, en el caso de la corriente, de su naturaleza (continua o alterna). 6. No pasar del modo voltímetro (resistencia interna alta) al modo amperímetro (resistencia interna baja) sin desconectar primero el polímetro del circuito, ya que ello causaría un incremento súbito de la corriente. 7. Los extremos de las puntas de prueba se colocarán entre los dos puntos donde se realice la medida. Tener en cuenta que el polímetro dará una lectura con referencia al terminal COM, al que se debe conectar la punta de prueba de color negro. 8. Observar que la punta de prueba roja se conectará en conectores distintos según se desee medir tensiones o corrientes (ver el anexo). 9. Detección de cortocircuitos. En modo óhmetro, el polímetro emite un pitido cuando los dos puntos entre los cuales se mide la resistencia están cortocircuitados. 10. Revisar en el anexo la apariencia del polímetro digital para familiarizarse con los mandos y las funciones de medida de que dispone. Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 3.

4 C. PRECAUCIONES CON EL POTENCIÓMETRO 11. El potenciómetro es una resistencia graduable, mediante un cursor giratorio, entre un valor muy bajo (unos pocos ohmios) y su valor máximo (en esta práctica, 10 kω). No conectar el potenciómetro de forma que el circuito esté cargado con la resistencia mínima del potenciómetro, ya que en ese caso la corriente sería excesiva. 1. Medida de tensiones continuas. a) Medir en vacío (circuito abierto) los posibles valores de tensión suministrados por la fuente de tensión continua. Para ello situar el polímetro en la posición de medida de tensiones, en la escala más alta disponible, e ir bajando de escala hasta conseguir una lectura que contenga el mayor número posible de dígitos significativos. b) Conectar el circuito de la figura con dos resistencias de 1,5 kω. Medir el voltaje entre los terminales de la fuente de continua y en los extremos de cada una de las resistencias. Justificar los resultados. +5 V R1 = 1,5K R2 = 1,5k Fig. 1 c) Montar el circuito mostrado en la figura 2, constituido por la agrupación en serie de una resistencia fija de valor 1 kω, y un potenciómetro de 10 kω. Fijar la tensión de la fuente en +5 V y observar como varía la tensión entre los extremos A y B al girar el cursor del potenciómetro. Anotar los valores límite y justificar los resultados. 1K +5 V Potenciómetro A 10k B V Fig. 2 d) Modificar la tensión de alimentación del circuito de la figura 2 para conseguir una tensión de 17 voltios entre A y B. Cuando se consiga dicha tensión, apagar la fuente, intercalar el amperímetro, encender de nuevo la fuente y medir la corriente que circula por el circuito. A continuación, apagar de nuevo la fuente, extraer el potenciómetro del circuito y medir la resistencia entre las patas A y B. e) Ejercicio teórico. Suponer que la resistencia interna del voltímetro es de 1 MΩ. Considerar un circuito análogo al de la Fig. 1, constituido por una fuente de alimentación de +5 V y dos resistencias en serie, iguales, que pueden tomar los valores R1 = R2 = 1k, 10k, Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 4.

5 100k y 470k. Calcular, de acuerdo con la ley de Ohm, la corriente teórica que el circuito demanda de la fuente de alimentación en cada caso y la caída de tensión en la resistencia R2. Suponer ahora que el voltímetro (con resistencia interna) se conecta en paralelo con R2 y calcular la corriente que lo atraviesa en cada caso y la tensión que aparece en bornes de R2. Cuantificar el error de medida introducido por el voltímetro al conectarlo en paralelo con la resistencia R2. Sería preferible contar con un voltímetro con resistencia interna de 10 MΩ? Sacar conclusiones. 2. Medida de resistencias. a) Medir con el óhmetro el valor de las siguientes resistencias: R1 = 1 kω, R2 = 2,2 kω, R3 = 1,5 kω. Comprobar esta medida con el valor nominal, de acuerdo con el código de colores. Los valores obtenidos, caen dentro del rango de tolerancia de las resistencias? b) Conectar R1 en serie con R2, y este conjunto en paralelo con R3, según muestra la figura. Medir con el polímetro la resistencia equivalente vista desde los extremos A y B, comparando este valor con el obtenido teóricamente. Comentar las posibles discrepancias observadas. A 1k 2,2k B 1,5k 3. Medida de corriente continua y leyes de Kirchoff. a) Tomar una resistencia de 1,5 kω y comprobar su valor mediante su código de colores y con el polímetro antes de conectarla a la fuente de continua de +5 V. Medir la intensidad de corriente intercalando el polímetro en serie con el circuito y la tensión en la resistencia poniendo el polímetro en paralelo con ella. Comprobar que se cumple la ley de Ohm. 1,5 k A +5 V b) Comprobar experimentalmente con el polímetro las tensiones e intensidades de corriente predichas por las leyes de Kirchoff en el circuito siguiente. R1 = 1k5, R2 = 1k, R3 = 5k6. Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 5.

6 1,5k +5 V 1k 5,6k c) Comprobar si se cumplen las leyes de Kirchhoff en un circuito constituido por dos resistencias de valor 10 MΩ conectadas en serie a la fuente de continua de +15 V. 1) Medir la tensión entre A y C, entre A y B y entre A y C. Se cumple la ley de Kirchoff de voltajes? Explicar cualitativamente los resultados y calcular la resistencia interna del voltímetro. 2) A continuación, intercalar el amperímetro en serie y medir la corriente que circula por la malla. Se cumple la ley de Kirchoff de corrientes? Explicar el resultado obtenido. A R1 = 10M B +15 V R2 = 10M C e) Ejercicio teórico. Suponer que la resistencia interna del amperímetro es de 0,1 Ω. Considerar un circuito constituido por una fuente de alimentación de +5 V y una resistencia en serie que puede tomar los valores Rs = 2R7, Rs = 27R, Rs = 270R y Rs = 1k5. Calcular la corriente teórica en el circuito en cada caso de acuerdo con la ley de Ohm. Calcular la corriente que circularía al intercalar el amperímetro en serie con Rs y cuantificar el error de medida introducido. Extraer conclusiones. 4. Cálculo del equivalente Thévenin de la fuente. a) Conectar la resistencia cerámica de 5 vatios y valor 10 Ω directamente a la fuente de alimentación de +5 V. Qué potencia se disipará en la resistencia en estas condiciones? Medir la tensión en los terminales de la fuente: a) en circuito abierto y b) con la resistencia conectada. A partir de estas medidas, calcular el equivalente Thévenin de la fuente. Cuál es la resistencia interna de la fuente de tensión? Dibujar el diagrama del equivalente Thévenin de la fuente. Dibujar el diagrama de su equivalente Norton. Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 6.

7 ANEXOS PLACA DE CONEXIONES El montaje de los distintos circuitos se realizará sobre la siguiente placa de conexiones, donde los todos los puntos unidos por una misma línea están cortocircuitados entre sí. Por tanto, los componentes no deberán conectarse en la misma línea. A B H VALORES NORMALIZADOS DE RESISTENCIA DE ±10 % 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8, n, con n = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6. CÓDIGO DE COLORES PARA RESISTENCIAS El valor de la mayoría de las resistencias utilizadas en electrónica se indica mediante el uso de un código de colores. El código que se emplea con las resistencias de un conductor axial es el sistema de bandas de color (veáse figura), que consiste en pintar bandas de color sobre el cuerpo de la resistencia. Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 7.

8 tolerancia multiplicador (número de ceros) segundo dígito primer dígito (más significativo) Color Código de colores de uso internacional de las resistencias: Valores del 1. er y 2.º dígito Multiplicador Nº de ceros hacia la izquierda de la coma decimal Tolerancia (%) Plata - 0,01 - ±10 Oro - 0,1 - ±5 Negro Marrón ±1 Rojo ±2 Naranja ±3 Amarillo ±4 Verde Azul Violeta Gris Blanco Observar que el valor de la resistencia tiene solamente 2 cifras significativas. Por ello, dos resistencias cuyo valor difiera solamente en el orden de magnitud tienen las dos primeras franjas del mismo color y difieren en el de la tercera. Ejemplo: 47 Ω = 47 x 1 amarillo violeta negro 4,7 kω = 47 x 100 amarillo violeta rojo Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 8.

9 POLÍMETRO DIGITAL óhmetro Voltímetro de continua Selector de función Amperímetro de continua (c.c., DC) Voltímetro de alterna Puntas de prueba Amperímetro de corriente alterna (c.a., AC) Posición de la punta de prueba para medir corrientes Masa, común o referencia Posición de la punta de prueba para medir tensiones y resistencias Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 9.

10 FUENTE DE ALIMENTACIÓN GND ( ground ) es el terminal de referencia. Se pueden obtener tensiones de salida positivas con respecto a GND (+ 5 y + 15 V) y negativas con respecto a GND ( 15 V). Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 10.

11 HOJA DE RESPUESTAS PROVISONALES (para entregar al final de la sesión de prácticas) Grupo de prácticas: Nombre y apellidos 1. er alumno: Nombre y apellidos 2.º alumno: Horario: 1. Medida de tensiones continuas. a) Medida en vacío (circuito abierto) los posibles valores de tensión suministrados por la fuente de tensión continua. Valor nominal de la fuente de tensión (V) Lectura del polímetro (V) b) Medida del voltaje entre los terminales de la fuente y en los extremos de cada una de las resistencias (circuito de la Fig. 1). Tensión de alimentación Caída de tensión en R1 Caída de tensión en R2 Justificación de los resultados: c) Medidas de tensión en circuito con potenciómetro. Tensión de alimentación Caída de tensión A B (potenciómetro ajustado a 1 kω) Caída de tensión A B (potenciómetro ajustado a 10 kω) Caída de tensión A B (potenciómetro ajustado a kω) Caída de tensión A B (potenciómetro ajustado a kω) Justificación de los resultados: d) Ajuste de tensión mediante un potenciómetro. Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 11.

12 I potenciómetro R potenciómetro e) Ejercicio teórico. Error de medida del voltímetro. R1 = R2 I fuente, teórica (ma) 1k 10k 100k 470k Justificación de los resultados: V R2, teórica (V) V voltímetro (V) I voltímetro (ma) Error V R2 (%) Sería preferible contar con un voltímetro con resistencia interna de 10 MΩ? 2. Medida de resistencias a) Medida de resistencias con el óhmetro. Valor teórico Tolerancia (%) Valor medido (kω) Aceptable? b) Medida de resistencias con el óhmetro. Valor teórico Tolerancia (%) Valor medido (kω) Aceptable? 3. Medida de corriente continua y leyes de Kirchoff. a) Comprobación de la ley de Ohm. Valor medido de la resistencia (kω) Valor medido de la intensidad de corriente (ma) Valor medido de la tensión en la resistencia (V) Observaciones: b) Comprobación experimental de tensiones y corrientes: R1 R2 R3 Corriente (ma) Tensión (V) Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 12.

13 Observaciones: c) Comprobación de las leyes de Kirchoff. V AC V AB V BC Se verifica la ley de Kirchoff de voltajes? Explicar. R int,voltímetro I malla Se verifica la ley de Kirchoff de corrientes? Explicar. e) Ejercicio teórico. Error de medida con el amperímetro. Rs I teórica (ma) I medida (ma) Error I (%) 2R7 27R 270R 1k5 4. Cálculo del equivalente Thévenin de la fuente. a) Cálculo del equivalente Thévenin de la fuente. Potencia disipada (W) Tensión de salida en vacío (V) Tensión de salida en carga (V) Resistencia interna de la fuente (Ω) Esquema del equivalente Thévenin: Esquema del equivalente Norton: Ingeniería de Telecomunicación Práctica 1. Pág. 13.