UNIVERSIDAD DIEGO PORTALES Facultad de Ingeniera Departamento de Ingeniera Industrial Electrnica yElectrotecnia Experiencia N1 Simulacin Objetivos Aprender a manejar un software de simulacin de circuitos elctricos (Micro Cap), y desarrollar algunos circuitos bsicos utilizndolo. SEGURIDAD FRENTE AL TRABAJO CON ELECTRICIDAD ASPECTOS GENERALES Cuando se trabajaen unlaboratorio elctrico o cuando se empleanequipos elctricos o simplementesetrabajaconelectricidad,elseguirlasprecaucionesadecuadasde seguridad es ms o tan importante que llevar a cabo mediciones exactas. Existen peligros potencialmente mortales en ambientes de laboratorio elctrico,y si nosesiguenconcuidadoprocedimientosdeseguridad,sepuedeocasionarqueuna persona o su compaero sea vctima de un accidente serio. El peligro ms comn y ms serio en laboratorios elctricos es el choque elctrico o golpe de corriente. Unaspectofundamentaldelchoqueogolpeelctricoquepuedeserletalesten funcin de la cantidad de corriente que pasa a travs del cuerpo humano y del tiempo deaplicacin.Nodependetansolodelvalordelvoltajeaplicado.Puedesertan mortal un choque de 100,0 Voltios como uno de 1.000,0 Voltios. EFECTO DE LA CORRIENTE APLICADA AL SER HUMANO Laseveridaddeunchoqueelctricoenunserhumanovaraconlaedad,sexoy condicin fsica. Sin embargo, en general el nivel de corriente necesario para ocasionar la muerte a cualquier ser humano es notablemente bajo. SIN LUGAR A DUDAS, LA SEGURIDAD SE DEBE TENER SIEMPRE PRESENTE POR PARTE DE TODAS AQUELLAS PERSONAS QUE POR CUALQUIER RAZN REQUIERAN UTILIZAR ELECTRICIDAD EN FORMA APLICADA. Elumbraldepercepcindecorrienteenlamayoradelossereshumanosesde1 mili Ampre (1 mA). Corrientes entre 1mA y 5 mA se sienten con mayor intensidad pero por lo general no producen un dolor intenso. El peligro que existe en esta intensidad es debido a la reaccin de sorpresa que genera en el ser humano y que lo hace moverse a lugares potencialmente de mayor peligro. Corrientesmayoresa5mAymenoresa100mAproducenenelcuerpo contraccionesmuscularesinvoluntariasdegrandolorypuedeeventualmente ocasionarlamuertepuestoquelapersonaquedasinpodersoltarelconductor elctrico. Corrientes mayores a 100 mA producen interferencia con el movimiento coordinado del corazn ocasionando lo que se llama fibrilacin cardaca, que detiene el bombeo de sangre al cuerpo humano y sobreviene la muerte en cuestin de minutos si no se detiene dicho proceso. Corrientessuperioresa300mAlascontraccionesmuscularessonextremadamente intensas lo que evita la fibrilacin. Si se detiene el choque por medio del mtodo deaplicarrpidamentegrandespulsosdecorriente,esposiblequeelcorazn reanudesufuncinnormal.Sinembargo,sepuededetenerlarespiracin(sedebe realizar respiracin artificial) y la persona queda con quemaduras intensas. RECOMENDACIONES Y CUIDADOS Elmejormtododeevitaraccidentesesreconocersuscausasyapegarsealos procedimientos de seguridad establecidos. Usoyaplicacindeequiposordinariosconconexionescorrectasatierrade seguridad y protecciones elctricas adecuadas. Evitarelusodecablesoconductoresdesnudosconalgndeteriorodefecto. Siempre desconectar la corriente al iniciar una experiencia elctrica. Evitar trabajar solo. Nunca operar equipos con humedad en las manos en el piso. Usar siempre zapatos secos. Siempre conectar al FINAL, el cable la punta de prueba al potencial alto vivo. PRIMEROS AUXILIOS Tratar de desconectar a la vctima del equipo conductor sin colocarse uno mismo en peligro. Usarcualquierelementoaislanteparaactuaryaquecualquierconexincorporal momentnea puede ser fatal. Se debe romper el punto de contacto lo ms rpido posible puesto que la resistencia delapieldecaerpidamenteconeltiempoylacorrientepuedellegaraalcanzar valores fatales (100 mA a 300 mA). Siseproduceunparorespiratorioylavctimaseencuentrainconsciente,sedebe comenzarrpidamenteaadministrarrespiracinartificial.Esteprocesopuede durar hasta 8 horas. Motivacin Para nadie es un misterio que uno de los factores fundamentales que ha permitido el desarrollo del hombre ha sido el descubrimiento de la electricidad y en particular el manejo progresivodelaelectrnicaenunainfinidaddembitos,esascomoestpresenteenla medicina,enlascomunicaciones,enlasindustriasyclaramenteennuestroshogares, podramos imaginarnos un mundo sin electrnica, podemos ser capaces de concebir la vida, sintelevisores,radiosytodoselementosconlosqueyaestamoshabituados,sindudaes difcilimaginarnosunmundoas,perolosdesarrollosnosoncausadelazarsinoqueson frutodeltrabajodepersonasquehancreadounsinfindeteoraseinvestigacionesenel rea de la electricidad y de la electrnica. Hoy comenzamos juntos un nuevo desafo, tratar de descubrir y conocer mediante la experiencialaimportanciadelaelectrnicaeneldesarrollodenuestrasociedad,conocer losprincipiosbsicosquelarigen,experimentandoenformaprcticaloselementos involucradosensuuso,teniendoencuentalasmedidasdeseguridadnecesariasdetal maneradeconseguirunconocimientoseguroysignificativoacercadelaelectricidadyla electrnica. ndice Objetivos................................................................................................................................. 1 SEGURIDAD FRENTE AL TRABAJO CON ELECTRICIDAD........................................ 1 Motivacin.............................................................................................................................. 4 ndice ...................................................................................................................................... 5 Materia Incluida en la Experiencia......................................................................................... 6 Tutorial Microcap................................................................................................................... 7 Introduccin........................................................................................................................ 7 Download e Instalacin ...................................................................................................... 7 Presentacin........................................................................................................................ 7 Ejemplo 1........................................................................................................................ 8 Ejemplo 2...................................................................................................................... 16 Circuitos de Primer Orden....................................................Error! Marcador no definido. Circuitos RC.....................................................................Error! Marcador no definido. Otros Ejercicios de Inters.................................................................................................... 18 Circuito RLC serie............................................................................................................ 18 Circuito RLC paralelo ...................................................................................................... 19 Circuito RC con fuente de Voltaje Alterno (Configuracin Pasa-Altos) ......................... 20 Circuito RC con fuente de Voltaje Alterno (Configuracin Pasa-Bajos)......................... 22 Amplificador a Tubos.......................................................Error! Marcador no definido. Cuestionario(responder en la parte de cuestionario) ............................................... 24 Experiencia Practica .............................................................Error! Marcador no definido. I. Simulacin.....................................................................Error! Marcador no definido. Circuito 1......................................................................Error! Marcador no definido. Preguntas y Contenido del Informe de la parte Experimental.............................................. 30 Materia Incluida en la Experiencia Enestaprimerasesindelaboratorioselepresentaralalumnounsoftwarede simulacin de circuitos elctricos llamado MicroCap, el cual tiene las caractersticas de alta funcionalidadygranfacilidaddeaprendizaje.Estesoftwareserunaherramienta fundamentalenelcursotantoparalademostracindelovistoyaprendidoenelcurso comoparaunafcilymsrpidaasimilacindelosconceptosyfundamentosquese buscan entregar en cada sesin de laboratorio. Tambin se ver lo bsico del funcionamiento de los diodos y algunas aplicaciones prticas de este elemento. Se simularn circuitos comunmente usados que contentan diodos y se analizarn sus respuestas en el dominio del tiempo. Tutorial Microcap IntroduccinMicrocapesunprogramadesimulacindecircuitoselctricos,elcualfunciona bajoPspice,ycuyaprincipalcaractersticaessuinterfazgrfica,lacualhacesumamente fcil la representacin de los circuitos elctricos que se quieren analizar. EnMicrocaploscircuitossediseantalcomoseharaenhojaypapel,salvo algunas excepciones como las fuentes dependientes.

Download e InstalacinAntes que nada se debe instalar el programa Microcap el cual se puede encontrar en su versin 8.0 de la pagina web de los curso de laboratorio www.udp.dii.cl , o tambin en el sitiodelfabricanteenhttp://www.spectrum-soft.com/index.shtm,ambasversionesson demos estudiantiles, lo que significa que no poseern todos los componentes de la librera original,yqueademsnosepuedensimularcircuitosquetenganunnmerodenodos mayor que un valor limite.Pero para motivos del curso la versin demo es suficiente. PresentacinUnavezinstaladoelprograma,sepuedeobservarunworkspacesimilaralquese muestra a continuacin.

En ste se aprecia en la parte superior, al igual que en la mayora de los programas, la barra de tareas. La que en este caso incluye lo siguiente: Filepara abrir, cerrar y guardar archivos, as como tambin imprimirlos. Edittodolorelacionadoconedicindeundeterminadoarchivo,(cortar,pegar seleccionar, copiar etc. ) Component aqu es donde se encuentran los componentes para introducir en el diseo de undeterminadocircuito,separadosprimeroportipodelibrera(analgica,digital....), posteriormenteporfuncionesdentrodelcircuitoyfinalmentesepresentanlosdistintos modelos de un mismo componente. Windowsopciones de visualizacin de los archivos y otros. Optionsopciones varia del programa. Anlisisaquseeligenlaopcionesdesimulacinqueenlasmasutilizadasparaeste curso son la de Anlisis de Transiente y Anlisis de C.A.. Designherramienta que ofrece ayuda enel diseo defiltros. Parael caso de la versin estudiantil esta altamente limitada. Bajo la barra de tareas se encuentra la barra de herramientas, que en este caso ofrece accesorpidoaloscomponentesmsutilizadoseneldiseodecircuitos(resistencia, inductancias, condensadores, tierra, etc). Paraunmsfcilentendimientodelmanejodelprogramasepresentaranunaserie de ejemplos. Ejemplo 1 EnesteprimerejemploseimplementarenMicrocapelcircuitodelsiguiente ejercicio: Enelcircuitosiguientedetermineelvalordelparmetrogquehacequese cumpla Va Vc = 20/3 (V). Para este ejercicio lo que se har es incluir el valor que en teora se debera obtener para g (g = 4), y observar por medio de simulaciones, si efectivamente se cumple que Va Vc = 20/3 (V). Laprincipalcaractersticadeesteejercicioesqueposeeunafuentedecorriente dependiente.EstasfuentesdependientesenMicrocaptienenunaformamuysingularde representarse, la cual se explicar ms adelante. Enprimerlugarsedebencolocarloselementosbsicoqueenestecasoson resistencias.Estasresistenciasepuedenseleccionarapartirdelabarradetareasen ComponentAnalogPrimitivePassiveComponentResistor;directamentedela barra de herramientas oprimiendo el botn que contiene su smbolo. o, Posteriormentecuandosecolocaelelementoaparecerelsiguientecuadro(Hint: para rotar algn elemento, slo se debe mantener presionado el botn derecho del mouse y haciendoclicconelbotnizquierdorotarelelemento.Cuandosellegaalaposicin deseada se suelta el botn derecho y el elemento queda fijo). En este recuadro se deben ingresar las caractersticas del elemento. Para el caso de elementos pasivos tales comoresistencias, condensadores e inductancias solamente se debe ingresar elvalor expresado en Ohm, Farad o Henry, respectivamente. Paraescalarelvalorquesedeseaintroducir,envezdecolocarcerossepuede ademsusarMeg=mega=106,k=kilo=103,m=mili=10-3,u=micro=10-6,n=nano=10-9, p=pico=10-12, etc . (ej.: VALUE= 1k es equivalente a VALUE=1000). Elementos activos tales como fuentes de voltaje y de corriente, adems se le deben indicar parmetros como frecuencia (AC), forma de onda (sinusoidal, triangular, cuadrada), amplitud. Para este caso en particular se tiene una fuente de corriente independiente que tiene el valor de 3 Amperes C.C., la cual se ingresa de la siguiente forma. Que una vez colocado en su lugar presenta el siguiente recuadro En el cual se deben ingresar los parmetros de la fuente que se quiere crear. En esta oportunidad DC=3; AC Magnitude=0; AC Phase=0; Transient format= NONE. Con eso se tiene la fuente de corriente deseada. Ahorasenecesitaintroducirlafuentedependiente.Lasfuentesdependientesen Microcap tienen una representacin especial, ellas incluyen a un lado de su representacin grfica,conectorespordondedebepasarlacorriente,ollegarelvoltajealcualesta vinculada dicha fuente. Enlafiguraarribasepuedeapreciarlarepresentacingraficadeunafuentede voltajedependientedeunacorriente(izquierda),ydeunafuentedecorrientedependiente de un voltaje (derecha).Cuando una fuente es dependiente de una corriente, al lado de ella se observara un cable por donde se deber hacer pasar dicha corriente de dependencia (cuando se haga eso hayquetenercuidadoconlapolaridadyladireccindelacorriente).Encambio,cuando una fuente es dependiente de un voltaje, a su lado aparecern dos conectores, a los cuales se debe hacer llegar el voltaje de dependencia con las polaridad respectiva. Para el ejemplo 1 se tiene una fuente de corriente dependiente de una corriente, por lo que para introducirla se debe ir a Component Analog Primitive Dependent Sources IofI, tal como se ilustra a continuacin. Una vez colocado los elementos, se deben unir mediante cables, ubicado en la parte superior izquierda. Con lo que el circuito final queda de la siguiente forma: Finalmente,yarealizadoelcircuitodeprueba,esnecesariosimularlo.Paraellose entra al MenAnalysis y luego al sub-menTransient. Al hacer eso aparecer una ventana de simulacin como la que sigue: Endelaventanaaparecenvariosparmetros,dentrodeloscualeslosprincipales son: Time range: que define el tiempo de simulacin. Maximun Time Step: define el tiempo de muestreo.

Tambinestnlasopcionesdelaescaladelosgrficos,quesonlosrecuadrosque hayqueseleccionar(OperatingPoint,OperatingPoitOnlyyAutoScaleRanges).Se aconseja seleccionar solamente Auto Scale Ranges. Finalmente,enlaparteinferiordelcuadrosedebeningresarlasvariablesquese quieren graficar. Seleccionando respectivamente el color, el numero de grafico en el cual se quierequeaparezca,lavariabledelejeX(generalmentetiempo),lavariabledelejeY (voltajedeunnodo,corrientequepasaporunelemento,etc)yelrangoabarcadoporel grfico. Paraentendercomograficarlasfunciones,primeroesnecesariosabercomose representan los voltajes y las corrientes en Microcap. Unavezquesehadibujadoelcircuitosedebeintroducirunatierradereferencia. Estatierradereferenciaessumamenteimportanteyaqueapartirdeellasedefinirnlos nodos del circuito y desde ah se calcularn todos los voltajes. Como se puede observar, en lafiguradelcircuitoacontinuacin,latierradereferenciasecolocaenelnodoDdel ejercicio. Desde ah el programa automticamente asigna los nodos. Para poder observar e identificar los nodos se debe oprimir el botn Nodes Number. Deestaforma,yaidentificadoslosnodossepuedensimulargrficamentelas variables del circuito. ParaidentificarunvoltajedenodosedebecolocarV(numerodelnodo).Por ejemplo, el voltaje en el nodo 2 ser V(2). Para representar una corriente se debe colocar I (nodo desde donde sale, nodo al que llega). Por lo que si se quiere graficar la corriente que va desde nodo 1 al nodo 2 se debe colocar I(1,2) (esta representacin es independiente del sentidorealdelacorrienteyasignarunsignodependiendodeella).Pararepresentarla corriente que pasa por un elemento se escribe I(elemento), por ejemplo, la corriente por la resistencia1seraI(R1).TambinsepuedengraficarexpresionescomoV(1)+V(2), I(1,2)/V(2), etc. Paraesteejerciciosegraficanlosvoltajesenelnodo1,voltajeenelnodo2,yla respectiva resta. Con lo que se obtiene el siguiente conjunto de grficos. Otras Funciones. -Dentrodelasopcionesdelapantalladegrficossetieneelmodocursorelcual ayuda a observar el valor instantneo de la variable graficada. -Enlasopcionesdegrafico,enelcasoenquenosequieraocuparelAutoScale Ranges, se puede seleccionar un rango arbitrario sabiendo que, en X Range e Y Range el primer valor es el rango superior, el segundo valor es el rango inferior y el tercer valor es a cada cuantos valores se muestra la escala en el grafico.(e-n significa: por 10 a la -n) - Una vez realizada la simulacin, si se vuelve a la pantalla en donde se encuentra el circuito,sepuedenverlosvaloresdelosvoltajesencadanodo,delascorrientesconsus respectivasdireccionesylapotenciadisipada,oprimiendolosbotonesdelabarrade herramientasidentificadoscomo,NodesVoltajes,CurrentsyPowers respectivamente. Finalmentesiseanalizanlosresultadodesdelosgrficosyelcircuitoanteriorse puede ver que Va Vc =6,667 =20/3 (V). Ejemplo 2 En este segundo ejemplo se har la pregunta 1 de la I1, que dice: Usando anlisis de nodos determine el voltaje en el siguiente circuito De la misma forma en que anteriormente, se colocan todos los elementos pasivo con susrespectivosvalores.Enseguidaseincluyenlasfuentesdevoltajeycorrientes independientes, y al final la fuentes de voltaje dependiente.Con lo que el circuito queda de la siguiente forma. Ajustando los parmetros de simulacin, tal como se muestra a continuacin, Se obtienen los siguientes resultados : Otros Ejercicios de Inters A continuacin se presentarn simulaciones dealgunos ejercicios complementarios con el objetivo de plantear la interrogante de su comportamiento. Circuito RLC serie Circuito RLC paralelo Circuito RC con fuente de Voltaje Alterno (Configuracin Pasa-Altos) EstaSimulacinnosehabapresentadoanteriormente.Seobtieneseleccionado. AnalysisAC,ytienecomoobjetivoobservarelcomportamientodelarespuestade frecuencia del circuito. Circuito RC con fuente de Voltaje Alterno (Configuracin Pasa-Bajos) Diodos El diodo ideal Eldiodoesundispositivoelectrnicoquedesempeaunpapelmuyimportanteen los sistemas electrnicos. Demaneraideal,undiodoconducircorrienteenladireccinquedefinelaflecha enelsmbolo,yactuarcomouncircuitoabiertoencualquierintentoporestablecer corriente en direccin opuesta. Lascaractersticasdeundiodoidealsonaquellasdeuninterruptorquepuede conducir corriente en una sola direccin.

fig.1 Estudo de conduccin de un diodo ideuI fig.2 Estudo de no conduccin de un diodo ideuI Composicin fsica Lascaractersticasdeconduccinelctricadeldiodoestndadasporsu conformacinmolecular.Estoselementosestnformadospormaterialesllamados semiconductores. Un material semiconductor que haya sido sujeto de dopado se denomina unmaterialextrnseco.Existendosmaterialesextrnsecosdegranimportanciaparala fabricacin de dispositivos semiconductores: el tipo n y el tipo p. Unin P-N Casi todos los diodos que se fabrican hoyen da estn formados por dos tipo de silicio diferentes, unidos entre si.

fig.3 Este conjunto sera del tipo N, ya que deja un electrn libre pues le sobra del enlace, con loqueeltomoseconvierteenuninpositivoalmismotiempoquecontribuyeconla generacin de un electrn libre, a este tomo lo representaremos: En el caso del tipo P, dejara un hueco libre, con lo que el tomo se convierte en un in negativo al mismo tiempo que contribuye con la generacin de un hueco libre, a este tomo lo representaremos: fig.4 Silicio tipo P y silicio tipo N separados Cuandoseefectaestaunin,loselectronesyloshuecosinmediatosalauninse atraen, cruzan la unin y se neutralizan. fig.5 Silicio tipo P y silicio tipo N unidos.- UNIN P-N Segnesteprocesoinicial,lazonaNprximaalauninhaperdidoelectronesypor tantoquedacargadapositivamente.IgualmentelazonaPprximaalauninhaperdido huecos, con lo que queda cargada negativamente. AlquedarlazonaNprximaa launincargadapositivamente,rechazaraloshuecos de la zona P que quieren atravesar la unin. Exactamente igual la zona P prxima a la unin impedir el paso de los electrones provenientes de la zona N Portantoenlazonaprximaalauninapareceunadiferenciadepotencialllamada "Barrera de potencial interna", que impide el paso de portadores mayoritarios a travs de la unin, no pudiendo existir corriente. Experiencia prctica I. Simulacin a)Diodos En esta primera parte simularemos con el software Microcap el circuito mostrado a continuacin: Figura 1 La fuente V1 es una fuente sinusoidal (Components Analog Primitives Waveform Sources Sine Source). Cuando se abra el cuadro paraconfigurar la fuente, deben elegir enModel:60HZ.Alhacerestoseactivarnlosparmetrosenlaparteinferiordela ventana donde se debe modificar la amplitud (A) a 5 V.Los diodos (aparecen en la barra de herramientas en la parte superior de la ventana) son del tipo DN4001. La resistencia tiene un valor de 1 k. (Cuando realice el anlisis transiente, para una mejor observacin de las curvas, en la ventana Transient Anlisis Limits utilice un Maximun Time Step igual a 1e-4) a.1)Expliqueelfuncionamientodelcircuito,indicandocundoyculesdiodos estn encendidos durante cada semiciclo de la fuente sinusoidal, y la direccin de la corriente en cada caso. (I1) a.2) Realice un anlisis de transiente (Analysis Transient) y compare el voltaje de la Fuente con el voltaje de la Resistencia R1. Comente las diferencias acompaado con un grfico comparativo.(I2) Ahora conecte un condensador al circuito anterior como se muestra en la figura 2. Figura 2 El condensador tiene un valor de 470 uF. Este nuevo circuito se denomina Rectificador de Onda Completa. a.3) Investigue por qu se denomina as este circuito.(I3) a.4) Nuevamente haga un anlisis de transiente y observe el voltaje en la Resistencia R1.Qucambioprodujolaconexindelcondensador?Porquseprodujoeste cambio? (I4) a.5) Existe diferencia de amplitud entre la fuente de voltaje y la resistencia ?. Si es as Por qu se produce? (I5) a.6)Modifiqueelvalordelcondensadora100uF.Cambielvoltajeenla resistencia R1 ? Por qu? Depende esto de la frecuencia de la fuente? (I6) a.7) Investigue usos para este circuito. (I7)

(Opcional)Implemente el siguiente circuito en Microcap. La fuente tiene una amplitud de 5 V,y una frecuencia de 1 kHz. Este circuito se denomina Doblador de Tensin. a.8) Explique el funcionamiento del circuito. a.9)RealiceunanlisisdetransienteyobserveelvoltajeenelcondensadorC3. Compareconlaamplituddelafuente.Culeslaraznentrelasamplitudes? Corresponde al valor terico? Comente. Cuestionario 1)Explique brevemente y con sus palabras el funcionamiento de los diodos. 2)Indique los distintos tipos de diodos existentes.3)Qu es un LED? 4)Enquetipodecircuitossoncomnmenteutilizadoslosdiodos?Mencioneal menos tres ejemplos. 5)Investigue sobre las diferencias mas importantes entre un diodo ideal y uno real. 6)Investigue que es un datasheet. Preguntas y Contenido del Informe ElInformesedivideenIntroduccin,Cuestionario,DesarrolloyConclusiones comose puede ver en la pauta de informes en la pgina del curso. En la seccin de cuestionario, como su nombre lo indica, se deben responder todas las preguntas correspondientes al cuestionario planteado en esta gua. Enlaseccindedesarrollosedebenresolvery/orespondertodoslosproblemasy preguntas de la parte prcica de la experiencia, adems de realizar un pequeo resumen de todo lo que se hizo durante sta, los problemas que se tuvieron y las soluciones a las que se llegaron.Tambinsedebenadjuntarlosgrficosyfigurasnecesariosparaunbuen entendimientodeloqueseplanteeenelinforme,consusrespectivosttulosy explicaciones. Laspreguntasopcionalestendrnunabonificacinextra,ademsdelosaportesy comentarios que el alumno pueda realizar. Plazo de Entrega : 2 Semanas a contar de la fecha de realizacin del laboratorio