Lab 3.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA-FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO 3: USO DEL GENERADOR DE ONDAS Y DEL OSCILOSCOPIO: VALORES CARACTERÍSTICOS DE ONDAS PERIÓDICAS.

CURSO: Laboratorio de circuitos eléctricos

CÓDIGO DEL CURSO: ML121

SECCIÓN: A

PROFESOR: CORTEZ GALINDO HERNAN

Integrantes: -

CONDOR ARENAS JOHAR GUBER O 9 9 9 9

Rímac, Lima-Perú

2018-II

20152558I

ÍNDICE INTRODUCCIÓN OBJETIVOS FUNDAMENTO TEÓRICO MATERIALES Y EQUIPOS PROCEDIMIENTO TABLA DE DATOS Y RESULTADOS GRAFICOS DISCUSION CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ANEXOS

INTRODUCCIÓN En el presente informe desarrollaremos dos puntos muy importantes y básicos, el uso del generador de ondas, así como el osciloscopio, este último es muy usado por estudiantes, diseñadores, ingenieros en el campo de la electrónica. Frecuentemente se complementa con un multímetro, una fuente de alimentación y un generador de funciones o arbitrario. Últimamente, con la explosión de dispositivos con tecnologías de radio frecuencia como WiFi o BlueTooth, el banco de trabajo se complementa con un analizador de espectro. En actualidad un ingeniero mecánico debe tener la capacidad de manejar estos aparatos dado que son usados para analizar distintos casos por ejemplo en el campo automotriz, en el diagnóstico de automotriz. Al terminar de desarrollar el laboratorio esperamos tener el conocimiento básico y necesario para nuestro buen desempeño en el campo laboral.

I. OBJETIVO - Aprender a utilizar el osciloscopio digital y el generador de ondas. - Comparar los valores medios y eficaces visualizando por el osciloscopio con los calculados teóricamente

-

Conocer el desfase de los voltajes cuando trabajamos con condensadores y resistencias. Conocer y comprender el funcionamiento del puente de diodos. Comparar los valores medios y eficaces visualizados por el multímetro y osciloscopio con los calculados teóricamente.

II. FUNDAMENTO TEORICO Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectro. Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada "eje Z" o "Cilindro de Wehnelt" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la traza. Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos, en teoría.

UTILIZACIÓN En un osciloscopio existen, básicamente, dos tipos de controles que son utilizados como reguladores que ajustan la señal de entrada y permiten, consecuentemente, medir en la pantalla y de esta manera se puede ver la forma de la señal medida

por el osciloscopio, esto denominado en forma técnica se puede decir que el osciloscopio sirve para observar la señal que quiera medir. Para medir se lo puede comparar con el plano cartesiano. El primer control regula el eje X (horizontal) y aprecia fracciones de tiempo (segundos, milisegundos, microsegundos, etc., según la resolución del aparato). El segundo regula el eje Y (vertical) controlando la tensión de entrada (en Voltios, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo de la resolución del aparato). Estas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide la pantalla, permitiendo saber cuánto representa cada cuadrado de ésta para, en consecuencia, conocer el valor de la señal a medir, tanto en tensión como en frecuencia. (en realidad se mide el periodo de una onda de una señal, y luego se calcula la frecuencia).

Osciloscopio analógico La tensión a medir se aplica a las placas de desviación vertical oscilante de un tubo de rayos catódicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (denominada así porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca). Esta tensión es producida mediante un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos. Limitaciones del osciloscopio analógico El osciloscopio analógico tiene una serie de limitaciones propias de su funcionamiento: • Las señales deben ser periódicas. Para ver una traza estable, la señal debe ser periódica ya que es la periodicidad de dicha señal la que refresca la traza en la pantalla. Para solucionar este problema se utilizan señales de sincronismo con la señal de entrada para disparar el barrido horizontal (trigger level) o se utilizan osciloscopios con base de tiempo disparada. • Las señales muy rápidas reducen el brillo. Cuando se observa parte del período de la señal, el brillo se reduce debido a la baja persistencia fosfórica de la pantalla. Esto se soluciona colocando un potencial post-acelerador en el tubo de rayos catódicos. • Sólo se pueden ver transitorios si éstos son repetitivos; pero puede utilizarse un osciloscopio con base de tiempo disparada. Este tipo de osciloscopio tiene un modo de funcionamiento denominado "disparo único". Cuando viene un transitorio el osciloscopio mostrará este y sólo este, dejando de barrer una vez que la señal ya fue impresa en la pantalla.

Osciloscopio digital En la actualidad los osciloscopios analógicos están siendo desplazados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre otras razones por la facilidad de

poder transferir las medidas a una computadora personal o pantalla LCD. En el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo. Las características y procedimientos señalados para los osciloscopios analógicos son aplicables a los digitales. Sin embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como el disparo anticipado (pre-triggering) para la visualización de eventos de corta duración, o la memorización del oscilograma transfiriendo los datos a un PC. Esto permite comparar medidas realizadas en el mismo punto de un circuito o elemento. Existen asimismo equipos que combinan etapas analógicas y digitales. La principal característica de un osciloscopio digital es la frecuencia de muestreo, la misma determinara el ancho de banda máximo que puede medir el instrumento, viene expresada generalmente en MS/s (millones de muestra por segundo). La mayoría de los osciloscopios digitales en la actualidad están basados en control por FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array), el cual es el elemento controlador del conversor analógico a digital de alta velocidad del aparato y demás circuitería interna, como memoria, buffers, entre otros. Estos osciloscopios añaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitería analógica, como los siguientes: _Medida automática de valores de pico, máximos y mínimos de señal. Verdadero valor eficaz. _Medida de flancos de la señal y otros intervalos. _Captura de transitorios. _Cálculos avanzados, como la FFT para calcular el espectro de la señal. también sirve para medir señales de tensión. GENERADOR DE ONDAS Un Generador de Funciones es un aparato electrónico que produce ondas sinusoidales, cuadradas y triangulares, además de crear señales TTL. Sus aplicaciones incluyen pruebas y calibración de sistemas de audio, ultrasónicos y servo. Este generador de funciones, específicamente trabaja en un rango de frecuencias de entre 0.2 Hz a 2 MHz. También cuenta con una función de barrido la cual puede ser controlada tanto internamente como externamente con un nivel de DC. El ciclo de máquina, nivel de offset en DC, rango de barrido y la amplitud y ancho del barrido pueden ser controlados por el usuario.

III.MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

1. Osciloscopio digital

2. Multímetro

3. Generador de ondas

4. Panel con diodos y punto de diodos

5. Panel de resistencias

6. Panel de condensadores

IV.

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Armar los circuitos mostrados en la figura, previa medición de las resistencias y/o capacitores.

2. Seleccionar una fuente de 60 Hz y una amplitud de 5 voltios en el generador de ondas 3. Seleccionar el selector de ondas sinusoidales del generador de ondas

4. Conectar los bordes a-b al canal I del osciloscopio y los bordes c-d al canal II del osciloscopio, y anotar las principales características de la onda mostrada por el mismo. 5. Repetir los pasos anteriores para la frecuencia de 200 Hz y 1000 Hz. 6. Seleccionar el selector de ondas cuadradas y repetir los pasos1,2 y 4. 7. Seleccionar el selector de ondas cuadradas y repetir los pasos1,2 y 4. 8. Para el caso de circuito 3, además observar el desfasaje entre el voltaje del generador de funciones con señal sinusoidal y tensión sinusoidal en el condensador de dicho circuito.

V. RESULTADOS Y GRAFICOS 1. PRIMER CIRCUITO

TIPO DE ONDA

FRECUENCIA

SINUSOIDAL

50 HZ

SINUSOIDAL

200 Hz

GRAFICO

SINUSOIDAL

1000 Hz

CUADRADA

60 Hz

CUADRADA

200 Hz

CUADRADA

1000Hz

TRIANGULAR

60 Hz

TRIANGULAR

200 Hz

TRIANGULAR

1000 Hz

2. SEGUNDO CIRCUITO

TIPO DE ONDA

FRECUENCIA

SINUSOIDAL

50 HZ

SINUSOIDAL

200 Hz

SINUSOIDAL

1000 Hz

GRAFICO

CUADRADA

60 Hz

CUADRADA

200 Hz

CUADRADA

1000Hz

TRIANGULAR

60 Hz

TRIANGULAR

200 Hz

TRIANGULAR

1000 Hz

3. TERCER CIRCUITO

TIPO DE ONDA

FRECUENCIA

SINUSOIDAL

50 HZ

GRAFICO

SINUSOIDAL

200 Hz

SINUSOIDAL

1000 Hz

CUADRADA

60 Hz

CUADRADA

200 Hz

CUADRADA

1000Hz

TRIANGULAR

60 Hz

TRIANGULAR

200 Hz

TRIANGULAR

1000 Hz

VI. CUESTIONARIO 1.Explica el principio de funcionamiento del osciloscopio y el generador de ondas. Así mismo enumerar sus diversos usos. Un osciloscopio dibujará el cambio de la amplitud de una señal a lo largo del tiempo, la amplitud se representará en el eje vertical por ejemplo medidas en voltios por división el eje horizontal representa la evolución del tiempo por ejemplo en una escala de segundos por división lográndose revoluciones tan pequeñas como nano segundos por división es decir 10−9 segundos por división por lo tanto desde una perspectiva de escala de tiempos y los ciclos copió puede capturar y mostrar cambios en la amplitud con una resolución temporal que va desde menos segundos hasta minutos u horas a través de la pantalla del instrumento para poder digitalizar una señal a esa velocidad el convertidor analógico a digital de un osciloscopio trabaja de forma muy diferente al multímetro de precisión en general aunque no todos los osciloscopios utilizan múltiples comparadores en paralelo donde la señal desconocida es aplicada a todos los comparadores simultáneamente, entonces cada comparador compara la señal de entrada desconocida con una referencia de tensión, el comparador que haga coincidir la señal con la referencia mandará una señal de aviso al microprocesador permitiéndose a este conocer cuál es el nivel de tensión de la señal desconocida en ese preciso momento en la línea de entrada, la ventaja de esta técnica es la gran velocidad de conversión la desventaja está en la resolución y por lo tanto en la precisión global de la medida, la precisión vertical de un osciloscopio en torno al 1.5 % comparada con la de un multímetro digital básico de 35 dígitos que suele ser inferior al 0.15% De esta forma mientras un multímetro proporciona muy buena precisión de resolución de medida un osciloscopio añade la segunda dimensión del tiempo la representación de la amplitud en relación al tiempo proporcionará beneficios adicionales para el análisis y resolución de problemas así por ejemplo un osciloscopio proporcionará información sobre la amplitud pico a pico rms o incluso la amplitud en puntos de interés muy específicos, también proporcionara tiempo periodo o frecuencia, tiempo de un punto al siguiente tiempo entre dos señales diferentes y otras diversas medidas de tiempo igualmente proporcionará información sobre la forma de onda, inspección visual de la calidad general de la forma de onda por ejemplo senoidal, cuadrada, pulso o incluso formas de onda complejas como señales de video comunicaciones digitales y muchas otras más también proporcionará información sobre la calidad de la señal, aspectos como distorsión o perturbaciones.

Entre los diversos usos que tiene el osciloscopio son los siguientes Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal, esto en los osciloscopios analógicos; en los digitales la frecuencia es calculada automáticamente. Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. Localizar averías en un circuito. Medir la fase entre dos señales. Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo Un generador de ondas es una herramienta muy eficaz si se utiliza correctamente, la función específica de un generador es crear un tipo de onda específica como pueden ser: ondas sinusoidales, triangulares, cuadradas y diente de sierra. Lo que caracteriza al generador es que se pueden configurar cada señal para que las frecuencias de las mismas varíen desde menos de un hertz hasta varios kilohertz. Otro pro de los Generadores de Señales es que se pueden utilizar diferentes salidas del generador para producir señales distintas, por ejemplo, si se necesita de una onda cuadrada para determinar la linealidad de un sistema de audio, esto se puede realizar y aparte se puede usar una salida diferente para otro tipo de señal para probar otra parte del sistema. 2.Explicar el principio de funcionamiento del diodo y del puente de diodos y su aplicación en electricidad. El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones). Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P más allá de los límites del semiconductor. De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N. En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay corriente. El diodo se puede hacer trabajar de 2 maneras diferentes:

Polarización directa Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.

Polarización inversa Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.

Puente de diodos Funcionamiento Consiste en cuatro diodos comunes de uso general, que convierten una señal con partes positivas y negativas en una señal únicamente positiva. Un simple diodo permitiría quedarse con la parte positiva, pero el puente permite aprovechar también la parte negativa. El puente, junto con un condensador de rizado y un diodo zener, para limitar la tensión, permite convertir la corriente alterna en continua. El papel de los cuatro diodos comunes es hacer que la electricidad vaya en un solo sentido, mientras que el resto de componentes tienen como función estabilizar la señal.

Circuitos rectificadores de onda completa Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones (semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las porciones positivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas (positivas) para producir una forma de onda parcialmente positiva (negativa).

Formas en onda de entrada y de salida para un rectificador de onda completa.

3.Explicar el método empleado para hallar el desfasaje entre voltajes de la fuente y del condensador en un circuito R-C. ¿Qué otros métodos existen? Un circuito RC alimentado por una señal alterna, para este caso ondas sinusoidales, se comporta de una forma diferente a la de un circuito resistivo puro o solo capacitivo. Este dependerá de la capacidad y frecuencia de la onda. En un circuito RC aparece la reactancia capacitiva, definida como: 1

𝑋𝑐 = 𝑤𝐶

Así, si se estudia la corriente y la intensidad para un capacitor solo conectado con la fuente, se encuentra el desfasaje entre la corriente y la corriente:

Donde, al igual que en un circuito resistivo puro, la resistencia del capacitor al flujo de electrones se define como la impedancia, que además de su valor, representa el desfase entre la corriente y el voltaje. 𝑍 = 𝑋𝑐 (−90°) Entonces para un circuito RC, el ángulo de desfase sería: ∅ = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(

−𝑋𝑐 ) 𝑅

Además, basta con conocer la graficas de ambos elementos y llevarlos a un mismo eje para conocer el desfase.

3.Elaborar un cuadro de los valores eficaces y medios visualizados en el multímetro, osciloscopio y los calculados teóricamente por formula indicando % de error. PRIMER CIRCUITO Funciones generadas Senoidal

Cuadrada

Triangular

Frecuencias

Vef (v)

Vm (v)

60 200 1000 60 200 1000 60 200 1000

2.36 2.58 2.60 4.36 4.29 4.52 2.22 2.04 2.10

1.39

Frecuencias

Vef (v)

Vm (v)

60 200 1000 60 200 1000 60 200 1000

2.36 2.58 2.60 4.36 4.29 4.52 2.22 2.04 2.10

1.39

Frecuencias

Vef (v)

Vm (v)

60 200 1000 60 200 1000 60 200 1000

2.36 2.58 2.60 4.36 4.29 4.52 2.22 2.04 2.10

1.39

1.56 1.56 3 3 3 1.38 1.38 1.36

Vef teó (v) Vm teó (v) 2.48 2.60 2.60 4.53 4.53 4.53 2.26 2.26 2.24

1.58 1.66 1.66 3.20 3.20 3.20 1.39 1.39 1.37

Error Vm

Error Vef

11.96% 5.75% 5.75% 6.25% 6.25% 6.25% 0.36% 0.36% 0.73%

4.83% 0.94% 0.03% 3.75% 5.16% 0.10% 1.64% 9.73% 5.92%

Error Vm

Error Vef

11.96% 5.75% 5.75% 6.25% 6.25% 6.25% 0.36% 0.36% 0.73%

4.83% 0.94% 0.03% 3.75% 5.16% 0.10% 1.64% 9.73% 5.92%

Error Vm

Error Vef

11.96% 5.75% 5.75% 6.25% 6.25% 6.25% 0.36% 0.36% 0.73%

4.83% 0.94% 0.03% 3.75% 5.16% 0.10% 1.64% 9.73% 5.92%

SEGUNDO CIRCUITO Funciones generadas Senoidal

Cuadrada

Triangular

1.56 1.56 3 3 3 1.38 1.38 1.36

Vef teó (v) Vm teó (v) 2.48 2.60 2.60 4.53 4.53 4.53 2.26 2.26 2.24

1.58 1.66 1.66 3.20 3.20 3.20 1.39 1.39 1.37

TERCER CIRCUITO Funciones generadas Senoidal

Cuadrada

Triangular

1.56 1.56 3 3 3 1.38 1.38 1.36

Vef teó (v) Vm teó (v) 2.48 2.60 2.60 4.53 4.53 4.53 2.26 2.26 2.24

1.58 1.66 1.66 3.20 3.20 3.20 1.39 1.39 1.37

VII. OBSERVACIONES -

Los equipos utilizados tienen fallas puede ser por desgaste o mal uso, los valores mostrados cambiaban demasiados por tal motivo cambiamos de cables.

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El generador de ondas se calienta muy rápido, pero mantiene una determinada temperatura.

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Los puntos de conexión con los diodos y resistores tienen falla ya sea por la mala conexión o el elemento está dañado.

VIII.

CONCLUSIONES -

Con la presente experiencia se logró relacionarnos como estudiantes con herramientas y facilitarnos su uso, que nos serán de utilidad a lo largo de nuestra formación profesional.

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El proceso de realizar mediciones en circuitos con un osciloscopio digital presenta una significativa ventaja en comparación con mediciones obtenidas con un osciloscopio analógico, pues el primero nos brinda mediciones mucho más precisas, y es más fácil de usar.

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El osciloscopio y el generador de señales son herramientas muy útiles para calcular las magnitudes presentes en un circuito además de asegurar el funcionamiento de esta, facilitando con esto la experimentación y predecir el comportamiento del circuito en funcionamiento.

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Sé logro comprobar el funcionamiento de los diodos como rectificadores de la onda, y así evitar valores de voltaje negativos en los circuitos.

IX.

RECOMENDACIONES -

Antes de realizar las experiencias verificar el buen funcionamiento de los materiales a utilizar.

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Se recomienda tener bien en claro las denominaciones que puedan dar los instrumentos a distintos valores, para así evitar confusiones y errores en las mediciones.

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Se recomienda que cada osciloscopio sea entregado con un manual de funcionamiento para así poder realizar la experiencia más rápidamente y también para no sufrir posibles des calibraciones del osciloscopio.

X. BIBLIOGRAFIA -

Linear Circuits, Ronald Scott, USA, 1960.

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Fundamentos de Circuitos Eléctricos, Charles K. Alexander, México, 2006.

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Tutorial Unicrom, Teorema de Thevenin. http://www.unicrom.com/Tut_teorema_thevenin.asp

-

Tutorial Unicrom, Teorema de Norton. http://www.unicrom.com/Tut_teorema_norton.asp

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Funcionamiento del osciloscopiohttps://www.youtube.com/watch?v=eNIUuwIFx88