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29 de Febrero de 2020 Instrumentos de medida y Leyes de Kirchhoff Programa de Bioingeniería – Ingeniería en Energías Universidad Santiago de Cali Leidy Esperanza Pamplona Beron OBJETIVO DE LA PRÁCTICA En esta práctica el alumno va a adquirir las habilidades necesarias para el manejo de instrumentos básicos de medición (multímetro, amperímetro, osciloscopio, generador de señales, y las fuentes DC), realizando medidas de tensión, corriente y potencia en circuitos eléctricos lineales. A su vez, desarrollará las competencias necesarias para el manejo análisis de circuitos utilizando las leyes de Kirchhoff, aplicando los métodos de análisis de Mallas y Nodos para la solución de un circuito eléctrico DC. I. INTRODUCCIÓN El trabajo práctico en el área de la electrónica exige tener conocimiento sobre el manejo y operación de los instrumentos y equipos de medición más utilizados en esta disciplina, además de sus características técnicas básicas. De hecho, en el análisis práctico de los circuitos eléctricos, es imprescindible el uso de instrumentos como osciloscopios, generadores de señal, multímetros, fuentes DC y AC, etc.; de allí la necesidad de que el estudiante de se familiarice con este tipo de equipos. II. TRABAJO PREVIO 1. Investigue, comprenda y explique con brevedad y precisión qué es una señal DC, CC y AC, establezca sus diferencias y haga uso de diagramas explicativos. 2. Investigue, comprenda y explique para una señal AC de voltaje o corriente qué es: voltaje pico, voltaje pico- pico, voltaje promedio y voltaje eficaz. Deduzca el valor de voltaje eficaz para una señal sinusoidal y su valor de voltaje promedio (recuerde que la pregunta dice deduzca no copie). 3. Consulte qué es la frecuencia y el período de una señal y cómo se calculan. 4. Consulte el manual del usuario del multímetro disponible en el laboratorio y clarifique los tipos de medición que se pueden realizar con él, determine sus rangos de operación. 5. Consulte el manual del usuario del osciloscopio en el laboratorio y trate de identificar con claridad lo siguiente: a) Control vertical o de magnitud: cómo opera y cuál es su relación con la característica de atenuación de la punta prueba. b) Control horizontal o de tiempo y su relación con la frecuencia de la señal a medir. c) Selector de canales y de modalidad de medición. d) Señal estándar de calibración (onda cuadrada de 0.5V/1kHz). e) Posición de los controles para medición de desfase entre señales. f) Explique en qué consisten las utilidades FFT y X/Y que tienen estos modelos de osciloscopio. 6. Consulte el manual del usuario para el generador de señales disponible en el laboratorio e identifique con claridad lo siguiente: a) Tipos de señal que puede generar y rango de magnitudes. b) Para qué sirve el control de atenuación. c) Para qué sirve y cómo opera el control de offset. 7. Consulte el manual de la fuente DC disponible en el laboratorio y defina: a) Cuántas salidas Vcc independientes tiene disponibles y cuáles son sus magnitudes. b) Qué capacidad de corriente tiene cada salida disponible. 8. ¿Cuál es la diferencia entre la conexión serie y paralelo? 9. ¿Qué es un nodo? 10. ¿Cómo se mide Tensión y Corriente? 11. ¿Qué es un vatímetro y como se utiliza? III. MATERIALES 1. Multímetro. 2. Osciloscopio. 3. Sondas para el osciloscopio. 4. Generador de señales. 5. Sonda para el generador de señales. 6. Fuente DC. 7. Sondas para fuente DC. 8. Amperímetro de 0 a 100 mA. 9. Protoboard 2 10. Cables de conexión para el amperímetro, fuente, y protoboard. 11. Resistencias de los circuitos de las figuras 1, 2 y 3. Aproxime las resistencias a los valores comerciales. Nota: Los elementos del numeral 1 al 8 están disponibles en el almacén. IV. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Las actividades a continuación descritas serán desarrolladas en una sesión, donde el estudiante entregará un informe escrito con el desarrollo de la práctica y los resultados obtenidos. 1. Verifique visualmente todos los controles con que cuenta el modelo de osciloscopio presente en su módulo de trabajo. Trate de identificar la salida de auto-calibración con que cuenta el mismo. Conecte, a través de las puntas de prueba del osciloscopio, la señal mencionada a los canales 1 y 2. Verifique: Cuál es la magnitud de voltaje y frecuencia de esta señal, tome nota y dibuje detalladamente la señal obtenida. 2. A continuación, con el multímetro digital disponible registre la magnitud de la señal existente en las tomas de corriente de su módulo de trabajo tome nota de la medida registrada con el multímetro. A su vez, conecte el osciloscopio a las sondas del multímetro y compare con la medida pico hecha en el Osciloscopio con respecto al multímetro, ¿encuentra diferencias? Explique detalladamente y saque conclusiones. 3. Con el generador de señal obtenga una onda senoidal de 5,0 Vpp y 1 kHz de frecuencia. Dibuje la señal obtenida en el osciloscopio especificando claramente magnitud, periodo, su voltaje pico y su voltaje eficaz. Verifique cómo puede obtener una señal cuadrada, triangular y una rampa (si su generador lo permite) de las mismas características descritas. 4. Si el generador de señales posee control de atenuación o en su defecto con el de la punta de prueba del osciloscopio, produzca atenuación en la señal sinusoidal del punto (3), dibuje la señal atenuada; de acuerdo con los datos medidos en el osciloscopio calcule cuál es la proporción de atenuación que produce el generador de señales o la punta de prueba del osciloscopio y especifíquela claramente. 5. Ahora obtenga señales con períodos de 100 µs y 1 ms y magnitud de 3,54 Vrms, dibújelas especificando claramente magnitud y frecuencia. 6. Haga, de forma cuidadosa, la conexión entre la fuente DC disponible en el laboratorio y el osciloscopio. Mida inicialmente los voltajes máximo y mínimo que entrega cada una de las salidas de la fuente y tome nota. Ahora, haciendo uso del multímetro digital, repita el procedimiento inmediatamente anterior y dibuje las formas de onda. Haga la comparación entre los datos que obtuvo con uno y otro instrumento, ¿encuentra diferencias? Explique y saque conclusiones 7. Resolver analíticamente los circuitos de las figuras 1, 2 y 3 utilizando el método de Mallas y el método de nodos. Calcule corriente, tensión y potencia activa en todas las resistencias de los circuitos de las figuras 1, 2 y 3 8. Utilizando cualquiera de los simuladores de circuitos Proteus, Multisim o EveryCircuit, realizar las conexiones de los circuitos de las figuras 1, 2 y 3 realizar las medidas de cada elemento circuital en las figuras 1, 2 y 3. 9. Aplique la segunda ley de Kirchhoff a la maya del circuito de la figura 1 y verifique que la sumatoria de voltaje es igual a cero. Repita el proceso tomando 10 medidas de cada voltaje y repita el proceso con los valores promedio de todas las medidas. Concluya alrededor de los resultados obtenidos. Nota: Tenga en cuenta el procedimiento 4 del Informe. 10. Aplique la primera ley de Kirchhoff a el nodo A del circuito de la figura 2 y verifique que la sumatoria de corriente es igual a cero. Repita el proceso tomando 10 medidas de cada corriente y repita el proceso con los valores promedio de todas las medidas. Concluya alrededor de los resultados obtenidos. 11. Para los circuitos de las figuras 2 y 3, medir las corrientes de malla y los voltajes de nodo. Compare contra los resultados analíticos. 12. Para el circuito de la figura 3, medir potencia para todos los elementos del circuito, inicialmente utilice el voltímetro y el amperímetro para esta tarea, posteriormente compareel resultado teórico. Figura 1. Circuito Serie. Figura 2. Circuito Paralelo. Figura 3. Circuito Mixto. 3 V. INFORME Como resultado de esta práctica se debe presentar un informe en el formato IEEE con el desarrollo de la práctica y se deben responder las siguientes preguntas: 1. ¿Cuál es la razón por la cual los datos reales no generan sumatorias iguales a cero? 2. Calcule el histograma para los datos tomados en el literal 9 y 10 de la práctica. Reporte la media, σ y σ2. 3. ¿Cuál es la diferencia entre una conexión en paralelo y una conexión serie? 4. ¿Qué significa la clase de aislamiento en un instrumento de medida? 5. ¿Qué es una protección eléctrica y cuáles son sus principales características? 6. Explique la razón por la cual se debe tomar una medida en estado estable. 7. ¿Por qué se debe utilizar una protección en un circuito y que pasa si la corriente excede el límite de la protección? 8. Anexe a su informe 4 conclusiones de lo aprendido en esta práctica.
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