Practico 02_circuito Rc

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS INGENIERÍA MECATRÓNICA

Integrantes: Alex Díaz, Katherine Medina, Valeria Quelal Profesor: Ing. Jorge Cuasapaz Materia: Circuitos Eléctricos II

PRÁCTICA DE LABORATORIO 02

TEMA:

Comportamiento de un circuito RC con corriente alterna

OBJETIVOS: • •

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Conocer el funcionamiento de un circuito RC con corriente alterna, comparando resultados prácticos en base a los conocimientos adquiridos en clase. Analizar los datos de la resistencia y el capacitor por medio del uso de la ELVIST y comprender mejor los efectos de la corriente alterna producen en los circuitos los componentes Resistor y Capacitor conectados en serie. Establecer criterios en base a los efectos obtenidos en base del modelo del circuito.

MARCO TEÓRICO: El circuito RC es de los circuitos básicos para el estudio de las propiedades de la corriente que fluye a través de la resistencia y el capacitor, con la idea de realizar el simulador se tendrá una visión más clara acerca de este circuito ya que se podrá emular con valores y así obtener su comportamiento para su posterior estudio. •

CIRCUITO RC

Se llama circuito RC a la combinación en serie de un capacitor y un resistor. Dicho circuito puede representar cualquier conexión de resistores y capacitores cuyo equivalente sea un solo resistor en serie con un solo capacitor.

El interruptor tiene como objetivo cargar y descargar al capacitor. El proceso inicia cuando el interruptor se conmuta a la posición “a” en el tiempo t=0 [s] y se considera que el capacitor se encuentra descargado. •

Simulaciones circuitos

Vs = Vr + Vc (suma fasorial) Esto significa que cuando la corriente está en su punto más alto (corriente pico), será así, tanto en el resistor como en el capacitor. Pero algo diferente pasa con los voltajes. En el resistor, el voltaje y la corriente están en fase (sus valores máximos y mínimos coinciden en el tiempo). Pero el voltaje en el capacitor no es así. Como el capacitor se opone a cambios bruscos de voltaje, el voltaje en el capacitor está retrasado con respecto a la corriente que pasa por él. (El valor máximo de voltaje en el capacitor sucede después del valor máximo de corriente en 90°).

Estos 90º equivalen a ¼ de la longitud de onda dada por la frecuencia de la corriente que está pasando por el circuito. El voltaje total que alimenta el circuito RC en serie es igual a la suma fasorial del voltaje en el resistor y el voltaje en el capacitor. Este voltaje tiene un ángulo de desfase (causado por el capacitor) y se obtiene con ayuda de las siguientes fórmulas: Valor del voltaje (magnitud): Vs = (VR2 + VC2 )1/2 Angulo de desfase Θ = Arctang ( -VC/VR ) Como se dijo antes - La corriente adelanta al voltaje en un capacitor en 90° - La corriente y el voltaje están en fase en un resistor. Puntos importantes para la simulación a tomar en cuenta para el proyecto • Se podrá variar la resistencia, la capacitancia y el voltaje • La simulación determinará el voltaje tanto en la resistencia como en el capacitor, así como la corriente que fluye a través del circuito • Se podrá tener la gráfica del comportamiento del circuito • A través de la gráfica podremos determinar los ángulos en atraso del capacitor con respecto a la resistencia.

Materiales y Equipos Material Tarjeta NI Elvis II Generador de funciones FGEN Multímetro digital usando Ohmmetro, Capacitancia, (DMM, (Ω/C)) Analizador de impedancia Resistencia 1K y varios valores 1µF y varios valores Cables para protoboard Cortapicos Procedimiento Experimental Ejercicio 1._ Medición de valores de los componentes del circuito 1. Inicie la ventana NI Elvis Instrument Launcher. 2. Seleccione Multímetro digital. 3. Conecte los cables de prueba. 4. Utilice DMM [Ω] para medir la resistencia, R. 5. Utilice DMM [C] para medir el condensador, C.

6. Anote los valores medidos. Ejercicio 2: Medición de la impedancia Z de los componentes del circuito. Seleccione Impedance Analyzer (Imped) de NI Elvis Instrument Launcher.

2. Coloque sus componentes en el protoboard NI ELVIS II. 3. Conecte los pines del analizador de impedancia DUT + y DUT - a la resistencia de 1KΩ. 4. Encienda el protoboard NI ELVIS II y haga clic en Ejecutar. 5. Verifique que el fasor de la resistencia se encuentre a lo largo del eje real y que su fase sea cero. 6. Conecte los pines de impedancia al condensador. 7. Verifique que el fasor del capacitor esté a lo largo del eje imaginario negativo y que su fase sea 270 o -90 grados. 8. La frecuencia de medición predeterminada es 1000 Hz. Ajustar el valor de frecuencia y observe que la reactancia (longitud del fasor) se reduce cuando aumenta la frecuencia y aumenta cuando disminuye la frecuencia. |Xc| = 1/ C. 9. Conecte los pines de impedancia a través del condensador y la resistencia en serie. El fasor tiene ahora tanto un componente real como imaginario. 10. Cambie la frecuencia de medición de 100, a 500, a 1000, a 1500 Hz y observe el movimiento fasorial. 11. Ajuste la frecuencia hasta que la magnitud de la reactancia | Xc | sea igual a la magnitud de la resistencia, R. En esta frecuencia especial, la fase del fasor lee 315 o 45 grados. 12. ¿Cuál es la magnitud del fasor ____________? . Cierre la ventana del analizador de impedancia.

Ejercicio 3: Prueba de un circuito RC con el generador de funciones y el osciloscopio Complete los siguientes pasos para construir y probar el circuito RC. 1. En el protoboard de la estación de trabajo, construya un circuito divisor de voltaje, usando un capacitor de 1 μF y una resistencia de 1,0 kΩ. 2. Conecte las entradas del circuito RC al generador de funciones [FGEN] y a los pines de conexión a tierra en el protoboard. Es importante que el generador de funciones esté conectado al condensador y la resistencia esté conectada a tierra, y no de forma contraria. Esto será explicado después. 3. Seleccione el ícono FGEN desde NI Elvis Instrument Launcher - Seleccione el tipo de forma de onda (seno, triángulo o cuadrado). - Establezca la frecuencia girando el dial de frecuencia o ingresando la frecuencia en el cuadro de texto [Hz]. - seleccione la amplitud de la forma de onda y cualquier desviación utilizando la amplitud y la compensación de controles DC.

. Configure el generador de funciones en onda sinusoidal, 2000 Hz, 2V pk-pk. Haga clic en Ejecutar. 5. Seleccione el ícono de Scope. 6. Conecte los cables del conector BNC 1 en el lado izquierdo del protoboard a través de la resistencia de 1kW en su circuito RC. Conecte el puerto CH0 BNC en el lado izquierdo de la estación de trabajo NI ELVIS II al puerto BNC 1 en el lado izquierdo del protoboard. Aplique energía al protoboard y haga clic en el botón [Ejecutar] del osciloscopio. 7. Usted vera una señal senoidal en el osciloscopio. Ponga los controles de la siguiente manera: - Escala CH0 500 mV / div - Acoplamiento CH0 AC - Base de tiempo 500 μs / div

- Disparador (Edge), Fuente (Chan 0 Fuente), Nivel (V) (0.1) Echa un vistazo a las mediciones del canal 0 RMS: Freq: y Vpk-pk: en la parte inferior de la pantalla de forma de onda. Puede activar los cursores para medir parámetros relacionados con el tiempo, como el período, el ciclo de trabajo y los intervalos de tiempo. 8. Manipule variando los controles FGEN (virtuales o reales) y observe los cambios en la ventana del osciloscopio. 9. Conecte otro conjunto de cables de BNC2 al zócalo pin SYNC del generador de funciones y tierra en el protoboard. No olvide conectar el puerto BNC2 al Scope CH1 con una sonda. SYNC es una señal TTL de 5 V que se usa a menudo para disparar. 10. Haga clic en el cuadro de habilitación de Scope CH1. Verá una nueva señal (en color azul) y en niveles TTL. 11. El circuito RC es un filtro de paso alto pasivo con un punto de corte de baja frecuencia cercano a 160Hz. Puede visualizar los parámetros del filtro utilizando la función de frecuencia de barrido FGEN sweep frecuency . Ajuste el osciloscopio en la configuración anterior. Ajuste los controles FGEN a lo siguiente: - Frecuencia de arranque 5 Hz Frecuencia de parada 5 kHz - Paso 50 Hz. Haga clic en el botón [Stop] del generador de funciones y luego haga clic en el botón [Sweep]. 12. Observe cómo la señal filtrada CH 0 cambia con respecto a la señal SYNC CH 1 tanto en la amplitud como en la fase a medida que se barre la frecuencia. A bajas frecuencias, la señal CH 0 es más pequeña en amplitud y no está en fase con la señal SYNC. En frecuencias más altas, la amplitud está cerca de la amplitud del generador de funciones y las dos señales están en fase. 13. Cierre las ventanas Generador de funciones y Osciloscopio. Resultados Ejercicio 1: Medición de los valores de los componentes del circuito. Tenemos la medicion de cada elemento como resultado:

Fig1._ Valor de la Resistencia

Fig2._ Valor de la Capacitancia

Ejercicio 2: Medición de la impedancia Z de los componentes del circuito

Verifique que el fasor de la resistencia se encuentre a lo largo del eje real y que su fase sea cero.

Verifique que el fasor del capacitor esté a lo largo del eje imaginario negativo y que su fase sea 270 o -90 grados.

La frecuencia de medición predeterminada es 1000 Hz. Ajustar el valor de frecuencia y observe que la reactancia (longitud del fasor) se reduce cuando aumenta la frecuencia y aumenta cuando disminuye la frecuencia.

Cambie la frecuencia de medición de 100, a 500, a 1000, a 1500 Hz y observe el movimiento fasorial.

Fig 3 ._ frecuencia de 1100 Hz

Fig 4 ._ frecuencia de 100 Hz

Fig 5 ._ frecuencia de 500 Hz

Fig 6._ frecuencia de 1000 Hz

Fig 7._ frecuencia de 1500 Hz

Ajuste la frecuencia hasta que la magnitud de la reactancia | Xc | sea igual a la magnitud de la resistencia, R. En esta frecuencia especial, la fase del fasor lee 315 o 45 grados.

Fig 8 ._magnitud de reactancia igual a la resistencia

¿Cuál es la magnitud del fasor? En este caso 1,47. Ejercicio 3: Prueba de un circuito RC con el generador de funciones y el osciloscopio Configure el generador de funciones en onda sinusoidal, 2000 Hz, 2V pk-pk. Haga clic en Ejecutar.

Fig 9 ._onda sinusoidal a 2000Hz, 2 V pK-pK.

Manipule variando los controles FGEN (virtuales o reales) y observe los cambios en la ventana del osciloscopio.

Fig 10 ._onda sinusoidal a 3000Hz, 1V pK-pK

Haga clic en el cuadro de habilitación de Scope CH1. Verá una nueva señal (en color azul) y en niveles TTL.

Fig 11 ._ Señal en niveles TTL (color azul)

Observación: Claramente se puede observar que la señal que sale de CH0 se encuentra menor en amplitud y en desfase con la señal SYNC

Fig 12._ Señal en niveles TTL (color azul)

Observación: al estar incrementándose los 50Hz la señal CH0 cambia con respecto a la señal SYNC CH 1 tanto en la amplitud como en la fase.

Fig 13._ Señales de CH0 y CH1 en fase

Observación: Claramente la señal de CH0 y CH1 se encuentran en fase además que se igualaron a la misma frecuencia.

CONCLUSIONES. •Las herramientas del software NI ELVISmx Instrument Launcher, nos han hecho posible calcular la impedancia de la resistencia y también del condensador, ya que medir la impedancia de un condensador con un multímetro no es posible. •Por medio de esta práctica hemos concluido y demostrado gráficamente de forma fasorial que, la longitud del fasor reduce cuando la frecuencia aumenta, y la reactancia aumenta cuando la frecuencia disminuye.

•También se ha demostrado que al regular la frecuencia hasta que la magnitud de la reactancia (Xc) sea igual a la magnitud de la resistencia, la fase de fasor da una lectura de 314,85° o 44,85°.

RECOMENDACIONES. •Es necesario realizar más prácticas similares a esta, con la finalidad de entender de mejor manera el comportamiento que tienen los diferentes elementos al tener una fuente de poder de corriente alterna. •Tener cuidado al momento de hacer las respectivas conexiones de las sondas, ya que, si estas están conectadas erróneamente, la medida resultante de la reactancia no será la real. •Para hacer el aumento de frecuencia primero apagar la NI ELVIS II, esto es necesario debido a que es una herramienta frágil y costosa, por ende, hay que tener los respectivos cuidados para evitar cualquier daño por mal uso.

BIBLIOGRAFÍA

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[1] J. E. López, J. M. Marí y G. C. Valls, ANÁLISIS DE CIRCUITOS, Valencia: Serie Materials, 2006. [2] W. Bolton, Mediciones y pruebas electricas y electrónicas., España: MARCOMBO, 1995. [3] R. P. Areny, INTRUMENTOS ELECTRONICOS BASICOS, Barcelona: Marcombo S. A., 2006.