DE UN MEDIDOR DE AC. Existen diversos tipos de medidores que se pueden emplear en medir magnitudes eléctricas alternas. Se pueden clasificar en:

Transcripción

1 PRÁCTICA 1. DISEÑO Y RESPUESTA EN FRECUENCIA 1 Objetivo. DE UN MEDIDOR DE AC Diseñar y construir un voltímetro elemental de corriente alterna utilizando un puente rectificador de media onda y otro de onda completa. Estudiar la respuesta en frecuencia de voltímetros de AC, con diferentes principios de funcionamiento. 2 Introducción. La práctica se divide en dos partes: 2.1 Diseño de un medidor de AC Existen diversos tipos de medidores que se pueden emplear en medir magnitudes eléctricas alternas. Se pueden clasificar en: Electrodinamómetros: Se emplean tanto en AC como en DC y como medidores de frecuencia. Electrostáticos: Para medir grandes magnitudes. En ellos es necesario aplicar una pequeña corriente externa. Termopares: Utilizados en medidas de señales de radiofrecuencia. Galvanómetros: Emplean un puente rectificador asociado. El galvanómetro es el más utilizado en medidores no digitales. Para que pueda emplearse es preciso incorporar un puente rectificador. Dicho puente puede ser de media onda o bien de onda completa. El objeto de esta práctica será la construcción de un medidor de este tipo y el análisis de los resultados obtenidos. El galvanómetro indica el valor medio de la onda del que se puede obtener, aplicando una corrección y ajuste de escalas, el valor rms. 1

2 Para la realización de esta parte de la práctica se empleará, como terminales de conexionado del galvanómetro, la entrada de 500A DC del multímetro (VOM) suministrado para tal efecto. El circuito equivalente, de bornas hacia adentro, del multímetro es el representado en la figura 1. Este multímetro puede ser utilizado como un galvanómetro equivalente de corriente de fondo de escala I f = 500A y resistencia de unos 600. Un generador de ondas realizará las funciones de generador senoidal. Ajustar su frecuencia a 50Hz y la amplitud a los valores que se indiquen durante la realización de la práctica. El generador de ondas presenta una resistencia de salida equivalente de 50. I f R m R p Figura 1: Galvanómetro equivalente. 2.2 Análisis de la respuesta en frecuencia de un medidor de AC Un voltímetro AC tiene una banda de frecuencias en la que la medida es insensible a la variación de la misma. La medida se vuelve imprecisa cuando la frecuencia se aleja de esa banda. Estas desviaciones se deben, esencialmente, a las características dinámicas de cada uno de los elementos que componen el medidor. Cuando se trata de frecuencias altas la desviación es atribuida, en medidores analógicos, a la capacidad de la unión de los diodos y al propio galvanómetro. En medidores digitales, a la frecuencia de muestreo del convertidor o al circuito de muestreo de la señal de entrada. Cuando se trabaja a frecuencias 2

3 muy bajas, del orden de 10Hz, el sistema de promediado es ineficiente, de ahí que se trate de una banda. 3 Material necesario. 1 Generador de Ondas. 3 Potenciómetros: 10K, 20K y 100K. Una resistencia de 1K. 1 Multímetro digital no portátil y otro de mano. 1 Galvanómetro. 4 diodos de señal. 1 Osciloscopio y dos sondas. 1 regleta. 4 Realización de la práctica. 4.1 Pasos previos: Calcular la resistencia interna equivalente del VOM Aplicar los dos métodos que se describen a continuación para promediar la resistencia interna del galvanómetro: Método de resistencia variable. figura 2. Realizar el montaje de la 1. Antes de dar alimentación al sistema, ajustar el potenciómetro de 20K a su valor máximo y la fuente de tensiónasu valor mínimo. 2. Una vez encendido el sistema, incrementar lentamente la tensión de la fuente hasta 1V. 3

4 3. Decrementar la resistencia del potenciómetro hasta que la aguja del galvanómetro marque el valor de plena escala. 4. Desconectar el potenciómetro y medir su resistencia (R 1 ) con el polímetro digital. 5. Volver a conectar el potenciómetro y aumentar su valor hasta que el galvanómetro marque media escala. Medir el valor de la resistencia del potenciómetro (R 2 ). 6. Calcular el valor de la resistencia equivalente del galvanómetro como R m1 = R 2 ; 2 R 1. Justificar esta relación. 20K Ω E=1V Figura 2: Circuito de estimación de la resistencia interna del galvanómetro (método de resistencia variable). Método Potenciométrico. Realizar el montaje de la figura Antes de dar alimentación al sistema, ajustar el potenciómetro de 20K a su valor máximo y la fuente de tensiónasu valor mínimo. 2. Una vez encendido el sistema, incrementar lentamente la tensión de la fuente hasta 1V. 3. Decrementar la resistencia del potenciómetro hasta que la aguja del galvanómetro marque el valor de plena escala. 4. Determinar el valor de la resistencia R m2 como el cociente entre la lectura del voltímetro y la del galvanómetro. Justificar esta relación. 4

5 20K Ω E=1V V Figura 3: Circuito de estimación de la resistencia interna del galvanómetro (método potenciométrico) a Parte: Diseño de un medidor de AC 1. Girar el conmutador del multímetro VOM hasta que indique medida de 500A DC de fondo de escala. Utilizar el valor de la resistencia interna equivalente del multímetro calculada anteriormente. 2. Para el montaje de media onda, figura 4(a). (a) Calcular la sensibilidad AC del galvanómetro, siendo S = 1=I fs. (b) Calcular el valor de R s para los siguientes rangos de funcionamiento: 2:5V rms, 5V rms y 10V rms, sabiendo que R s =0:45 V rms S ; R m. Indicar qué representa R s y con qué elementos de la figura 4(a) se corresponde. (c) Construir el puente de la figura 4(a), utilizando como resistencias, potenciómetros ajustados, inicialmente, a los valores calculados. Indicar las discrepancias entre el funcionamiento teórico y el real. (d) Aplicar, en cada caso, el voltaje máximo de entrada. Ajustar los potenciómetros para obtener la máxima amplitud del medidor de agujas (aguja indicando el fondo de escala). (e) Una vez ajustado el potenciómetro, medir la resistencia presentada por él y anotarla. (f) Visualizar en el osciloscopio la forma de onda de la caída de tensión en el potenciómetro. Antes de realizar la medida, se recuerda que la medida de la tensión de salida en bornas del 5

6 puente puede no ser flotante, por lo que puede ser necesario utilizar dos sondas para realizar esta medida. (g) Calcular el error en porcentaje entre los valores de R s obtenidos y los teóricos calculados para cada rango. 3. Para el montaje de onda completa, figura 4(b). (a) Calcular la sensibilidad AC del galvanómetro. (b) Calcular el valor de R s para los siguientes rangos de funcionamiento: 2:5V rms, 5V rms y 10V rms, sabiendo que, en este caso, R s =0:9 V rms S ; R m (c) Construir el medidor de AC de la figura 4(b) utilizando, como resistencias, tres potenciómetros ajustados a los valores calculados. (d) Aplicar en cada caso el máximo voltaje de entrada. Ajustar los potenciómetros para obtener la máxima amplitud del VOM. (e) Una vez ajustado, medir la resistencia presentada por el potenciómetro y anotarla. (f) Visualizar en el osciloscopio la forma de onda de la caída de tensión en el potenciómetro. Antes de realizar la medida, se recuerda que la medida de la tensión de salida en bornas del puente puede no ser flotante, por lo que puede ser necesario utilizar dos sondas para realizar esta medida. (g) Calcular el error, en porcentaje, entre los valores obtenidos y los teóricos calculados para cada rango. 4. Comparar los resultados obtenidos con cada uno de los circuitos. Cuál de los dos montajes presenta mejores características como sistema de medidas AC? a Parte: Respuesta en frecuencia de medidores de AC 1. Montar el circuito de la figura 5, utilizando el medidor de agujas. 6

7 R1 R2 R3 R1 R2 R3 G.O. Ri=50Ω 2.5V G.O. 2.5V 5V Ri=50 Ω 5V (a) 10V (b) 10V Figura 4: Medidores de AC. (a) Medidor de AC con circuito rectificador de media onda. (b) Medidor de AC con circuito rectificador de onda completa. 2. Con el Osciloscopio, ajustar el generador a 5.5 V rms aproximadamente, 1 KHz y onda senoidal. 3. Disminuir la frecuencia hasta que la lectura del voltímetro sea imposible de visualizar debido a las oscilaciones: f Aumentar la frecuencia hasta que la lectura sea de 5 V rms : f Entre las dos frecuencias obtenidas (f 1 y f 2 ) realizar unas 20 medidas equidistantes. 6. Repetir el procedimiento utilizando los otros dos medidores (Fluke y multímetro digital) y realizar una tabla de medidas para cada uno de los medidores. 7. Realizar de nuevo los apartados anteriores de la práctica, utilizando ondas cuadradas y ondas triangulares, ambas con la amplitud indicada previamente. 8. Para cada tipo de onda dibujar las curvas de tensión medida frente a la frecuencia inyectada. El medidor de aguja está compuesto por un diodo y un galvanómetro, el medidor del multímetro de mano por un diodo y un convertidor A/D y el multímetro digital por un circuito integrado que determina, analógicamente, el valor rms de la onda. Explica esto el diferente comportamiento en frecuencia de los medidores?. Qué justificación se puede dar a la discrepancia de los valores rms obtenidos en los tres medidores?. 7

8 Κ Figura 5: Montaje de la práctica. 8