Práctica No. 5 Circuitos RC Objetivo Ver el comportamiento del circuito RC y sus aplicaciones como integrador y diferenciador

Transcripción

1 Práctica No. 5 Circuitos RC Objetivo Ver el comportamiento del circuito RC y sus aplicaciones como integrador y diferenciador Material y Equipo Resistencias de varios valores Capacitores de cerámicos, de 0.01uF y 1uF 2 Resistores de 7.5kΩ Resistores de 500Ω, 10kΩ y 1kΩ Timer NE555 Amplificador operacional LM741 Generador de funciones Osciloscopio Fuente de alimentación 1. Introducción Los circuitos resistivos capacitivos (RC), se utilizan ampliamente en circuitos temporizadores, ya que el voltaje o corriente, tiene un comportamiento de tipo exponencial, con el cual permite fijar tiempos. El ejemplo mas notorio de este tipo de aplicaciones, es en el diseño de osciladores (generadores de onda) de el cual el mas conocido, es el timer NE555. Otra aplicación del circuito RC es en la generación de integradores y diferenciadores, ya que con ellos se pude generar cuyo salida de voltaje es la integral o diferencial del voltaje de entrada. También este tipo de circuitos se usa como filtros, pasa altas o pasa bajas, los cuales eliminan frecuencias altas o bajas de la señal de entrada. Con el desarrollo de esta práctica, se pretende que el alumno realice la comprobación experimental de la carga y descarga de un circuito RC, además de su uso como integrador o diferenciador. 2. Procedimiento 2.1 Respuesta RC a la entrada cuadrada 1. Configurar al generador de funciones con una onda cuadrada de 10V pico a pico y una frecuencia de 100Hz. 2. Probar las puntas del osciloscopio y verificar que miden de forma adecuada, lo cual se realiza conectando éstas con la señal de prueba. 3. Armar el circuito RC de la figura 1. Conectar el canal 1 (CH1) y el canal 2 (CH2) del osciloscopio en los puntos mostrados en la figura 1. Asegurarse de que ambos canales tengan acoplamiento por DC. Comprobar que la forma de onda resultante es como la que se muestra en la figura Encontrar la ecuaciones matemáticas que determinan la forma de onda del capacitor cuando el voltaje del generador vale +5V, y cuando vale -5V. 5. Aumentar la frecuencia del generador a 1kHz y observar cuales es el voltaje máximo y mínimo que se tiene en el capacitor. 6. Finalmente aumentar la frecuencia a 10kHz y observa la forma de onda del voltaje del capacitor. 7. Para cada circuito, discutir la relación que tiene τ con el periodo de la señal. 1

2 2.2 Integrador Figura 1 Circuito RC, Respuesta del circuito RC 1. Armar el circuito de la figura 2 y observar que se comporta como un integrador, ya que la señal de entrada es una onda cuadrada y la señal de salida es una triangular (que es el resultado de integrar a la señal de entrada. Esto se observa en la figura Hacer los arreglos necesarios en el generador de funciones y el osciloscopio para que observen las formas de onda de la figura Cual es la ecuación matemática que describe el voltaje a la salida? 3. Cambiar la forma de onda de entrada a triangular y senoidal. Observar en ambos casos que la señal de salida es proporcional a la integral de la señal de entrada. Discutir cual es la relación de τ para tener este comportamiento. 2.3 Diferenciador Figura 2 Circuito integrador Formas de onda de la salida del integrador 1. Armar el circuito de la figura 3, el cual consta de un resistor y un capacitor, el cual si se toma la salida como el voltaje en el resistor, el voltaje de este elemento se comporta como un diferenciador. Por lo cual el voltaje de salida es la derivada del voltaje de la entrada. 2

3 2. Hacer los ajustes necesarios en el generador de funciones y el osciloscopio para que se observen las formas de onda de la figura Cambiar la forma de onda a señales senoidales y cuadradas, y comprobar que el voltaje de salida, sigue correspondiendo a la derivada del voltaje de entrada, si y solo si no cambian la frecuencia. 4. Analizar la relación que existe entre τ y la frecuencia de la señal. Encontrar la expresión matemática para el voltaje de salida. 2.4 Temporizador 555 Figura 3 Circuito diferenciador, Respuesta del circuito diferenciador El circuito temporizador 555 es de los temporizadores más conocidos. Se usa para generar señales cuadradas y su frecuencia y tiempo de pulso son función de 2 resistencias (RA y RB) y un capacitor (C2). En la figura 4 se muestra su diagrama de conexiones. La frecuencia se calcula con la ecuación 1. El voltaje en el capacitor oscila entre Vcc/3 y 2Vcc/3, y cuando llega a uno u otro valor, cambie el voltaje a su salida (terminal 3). Figura 4. Diagrama de conexiones para el temporizador NE555N 3

4 1.44 f ( R + R )C A 2 1. Armar el circuito de la figura 4. Teóricamente calcular la frecuencia de la señal que se espera medir. 2. Conectar el canal 1 del osciloscopio en el punto marcado CH1 de la figura 3 (la punta) y el caimán (la terminal negra), conectarla a tierra. Hacer lo mismo con el canal 2 (CH2) del osciloscopio. 3. Medir las formas de onda y con base en ellas, explicar la forma en la cual trabaja el Diseñar y armar el 555 para que funcione a una frecuencia de 10kHz. 2.5 Temporizador con un operacional Una aplicación no lineal del amplificador operacional, es como comparador. En particular cuando se retroalimenta con resistencias de la salida a la terminal inversora (la negativa), se configura como comparador con Histéresis. Este efecto puede ser aprovechado para configurarlo como un temporizador, cuyo periodo, tiempo de pulso y frecuencia, son función del ancho de la ventana y de un circuito RC, que hace que se retarde la señal. En la figura 4 se muestra la forma en la cual se configura al operacional para que trabaje en este modo. 1. Armar el circuito de la figura 5. El cual consta de 3 resistencia de 1kΩ, 1 capacitor de 1uf no electrolítico, 2 fuentes de voltaje (de +12V) y un amplificador operacional LM Conectar el canal 1 (CH1) y el canal 2 (CH2) del osciloscopio en los puntos marcados en el diagrama de la figura Observar las formas de onda de estas señales y en función de ellas explicar la forma en la cual esta trabajando este circuito. B (1) Figura 5. Amplificador operacional como temporizador 4

5 3. Reporte. El reporte de la práctica tendrá los siguientes puntos: Objetivos. Introducción teórica (Breve y concisa). Procedimiento. Resultados. Conclusiones. Bibliografía. En la parte de resultados deberá de tener gráficas, tablas, simulaciones, comparación entre las mediciones, la teoría y la simulación. La bibliografía pondrán los libros, páginas de Internet, etc. que hayan leído para el desarrollo de la práctica. Además todas las figuras, tablas y ecuaciones llevan pie de figura, encabezado de tabla y numero, respectivamente. La numeración es consecutiva, en forma parecida a como se muestra en este documento. Nombre del profesor: F. Hugo Ramírez Leyva. 5