INFORME PREVIO 01

UNMSM FIEE INF Prv. LAB. CIR ELEC - N 01 / 2014 CIRC. ELCTRICOS II

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INFORME DE LABORATORIO N01 INFORME PREVIO

I N T R O D U C C I N

A causa del uso generalizado de fuentes de voltaje de corriente alterna se hace necesario estudiar el

anlisis de circuitos en estado senoidal. En este informe, lo que interesa en primera instancia es la

respuesta en estado estable de los circuitos a estas fuentes senoidales. Tambin veremos el uso adecuado

del osciloscopio para realizar las mediciones adecuadas de voltaje y de frecuencia mediante las figuras

de Lissajous

Tambin se ver las diferencias entre la corriente alterna y la continua. La corriente alterna es la que

vara tanto en amplitud como en polaridad (sentido) y puede tener diversas formas como por ejemplo:

sinusoidal, diente de sierra, cuadrada, triangular, etc.

La corriente continua bajo un sistema de referencia preestablecido, nunca cambia de sentido. Para el

caso del voltaje, significa que ste nunca cambia de signo, aunque con el paso del tiempo, si puede

cambiar de forma. Esto quiere decir, que podemos tener corrientes directas constantes (las que

conservan su valor a lo largo del tiempo) o fluctuantes (que presentan variaciones pero sin cambiar de

sentido).

F U N D A M E N T O T E R I C O

Corriente elctrica

Corriente continua

Se refiere a aquella en el que el flujo de electrones es se mantiene en una sola direccin, es decir la

polaridad (sentido) no cambia con el tempo, pertenecen a este tipo las producidas por bateras, pilas,

celdas solares y fuentes de alimentacin.

Corriente continua propiamente dicha

Es aquella corriente continua que mantiene su valor constante en el tiempo.


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Corriente continua pulsante

Es aquella corriente continua que puede variar su intensidad sin cambio de polaridad.

Corriente Alterna

Se denomina Corriente alterna aquella donde la magnitud y el sentido varan en el tiempo cclicamente

en la que la forma de onda de la corriente alterna ms utilizada es la de una onda senoidal por sus

mltiples ventajas frente a otras.

o Ciclo: En cada ciclo la onda parte de cero, alcanza su valor mximo positivo, luego su valor

mximo negativo y llega nuevamente a cero, de modo que para cada ciclo completo, hay una

sinusoidal completa.

o Frecuencia: La frecuencia de una seal alterna sinusoidal indica cuntas veces por segundo

efecta la onda un ciclo completo. La frecuencia normalmente se expresa en ciclos por segundo

(cps) o en hertz (1/seg). Por lo tanto, mientras ms alta sea la frecuencia de una onda, invertir su

sentido un mayor nmero de veces por segundo.

o Periodo: El periodo define la duracin de un ciclo completo.

o ngulo de fase: Suponiendo que se tienen dos seales, una mas adelantada que otra, donde la

nica diferencia se encuentra en el ngulo de fase, si se toma una como seal original, se dice

que la otra seal esta desplazada radianes, normalmente se dice que encuentra adelantada, cuando el valor de es positivo y atrasada si el valor de es negativo. Por ser el periodo de la seal , es lgico pensar que el ngulo de fase se encuentra entre , se dice que las sinusoides se encuentran en fase cuando sus ngulos de fase son iguales, en caso contrario se encuentran fuera de fase o desfasadas.

o Valor eficaz: Es el valor verdadero, es el voltaje que nos resulta de medir con un voltmetro.

o Valor de pico: Es el voltaje que se mide en el ORC, cuando la seal esta centrada, desde el

origen hasta el tope de dicha seal.


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o Valor de pico a pico: Es el voltaje que se mide en el ORC, este se mide de tope a tope de la

seal.

Osciloscopio

El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otros medidas se pueden

realizar a partir de esta por simple clculo (por ejemplo, la de la intensidad la potencia). Los clculos

para seales CA pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para medir otras magnitudes es

empezar por el voltaje.

En la figura anterior se ha sealado el valor de pico , el valor de pico a pico normalmente el

doble de y el valor eficaz o (root-mean-square, es decir la raiz de la media de los valores instantneos elevados al cuadrado) utilizada para calcular la potencia de la seal CA.

Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es fcil, simplemente se trata de contar el nmero de

divisiones verticales que ocupa la seal en la pantalla. Ajustando la seal con el mando de

posicionamiento horizontal podemos utilizar las subdivisiones de la rejilla para realizar una medida ms

precisa. (Recordar que una subdivisin equivale generalmente a 1/5 de lo que represente una divisin

completa).

Es importante que la seal ocupe el mximo espacio de la pantalla para realizar medidas fiables, para

ello actuaremos sobre el conmutador del amplificador vertical.

Algunos osciloscopios poseen en la pantalla un cursor que permite tomar las medidas de tensin sin

contar el nmero de divisiones que ocupa la seal. Bsicamente el cursor son dos lneas horizontales

para la medida de voltajes y dos lneas verticales para la medida de tiempos que podemos desplazar

individualmente por la pantalla. La medida se visualiza de forma automtica en la pantalla del

osciloscopio.

Para medir la frecuencia medimos primero el periodo. Para realizar medidas de tiempo se utiliza la

escala horizontal del osciloscopio. Esto incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de


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subida y bajada de impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realiza calculando la inversa del

periodo. Al igual que ocurra con los voltajes, la medida de tiempos ser ms precisa si el tiempo objeto

de medida ocupa la mayor parte de la pantalla, para ello actuaremos sobre el conmutador de la base de

tiempos. Si centramos la seal utilizando el mando de posicionamiento vertical podemos utilizar las

subdivisiones para realizar una medida ms precisa.

La seccin horizontal del osciloscopio posee un control etiquetado como X-Y, que nos va a introducir

en una de las tcnicas de medida de desfase (la nica que podemos utilizar cuando solo disponemos de

un canal vertical en nuestro osciloscopio).

El periodo de una seal se corresponde con una fase de 360. El desfase indica el ngulo de atraso

adelanto que posee una seal con respecto a otra (tomada como referencia) si poseen ambas el mismo

periodo. Ya que el osciloscopio solo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfase ser

indirecta.

Uno de los mtodos para medir el desfase es utilizar el modo X-Y. Esto implica introducir una seal por

el canal vertical (generalmente el I) y la otra por el canal horizontal (el II). (este mtodo solo funciona

de forma correcta si ambas seales son senoidales). La forma de onda resultante en pantalla se denomina

figura de Lissajous (debido al fsico francs denominado Jules Antoine Lissajous). Se puede deducir la

fase entre las dos seales, as como su relacin de frecuencias observando la siguiente figura


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C U E S T I O N A R I O P R E V I O

1. Definir la corriente continua y la corriente alterna, ejemplos.

a) Corriente continua (CC): Es el flujo continuo de electrones a travs de un conductor entre dos puntos de distinto potencial,

en ella las cargas elctricas circulan siempre en la misma direccin. Aunque comnmente se

identifica la corriente contina con la corriente constante, es continua toda corriente que

mantenga siempre la misma polaridad.

La corriente continua que producen las bateras, las pilas y las dinamos entre los extremos de

cualquiera de estos generadores se genera una tensin constante que no vara con el tiempo, por

ejemplo si la pila es de 12 voltios, todo los receptores que se conecten a la pila estarn siempre a

12 voltios a no ser que la pila este gastada y tenga menos tensin

b) Corriente alterna (CA): Es aquella corriente elctrica en la que la magnitud y el sentido varan cclicamente. La forma de

oscilacin de la corriente alterna ms comnmente utilizada es la de una oscilacin senoidal,

puesto que se consigue una transmisin ms eficiente de la energa. Sin embargo, en ciertas

aplicaciones se utilizan otras formas de oscilacin peridicas, tales como la triangular o la

cuadrada.

Este tipo de corriente es producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales

elctricas. La corriente que usamos en las viviendas es corriente alterna (enchufes).

2. Explicar los conceptos de ciclo, frecuencia, perodo, ngulo de fase, referentes a una seal

alterna senoidal.

a) Ciclo: Es el desarrollo completo de la onda y corresponde al periodo . Parte ms corta de una forma de onda senoidal que se repite, pasando a tener un valor positivo y un negativo.

b) Frecuencia: Nmero de ciclos que suceden en un segundo, Se mide en Hercios (en ingls Hertz), abreviado

, que es la unidad de ciclos por segundo.

c) Perodo: En una funcin senoidal es el tiempo que tarda en producirse un ciclo completo. Es el intervalo

de tiempo entre repeticiones sucesivas (ciclos) de la forma de onda peridica. Tiempo que dura

un ciclo.


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d) ngulo de fase: Es el que forma el vector de posicin de un punto en un instante determinado con el semieje

positivo de abscisas. Esta magnitud es fundamental a la hora de estudiar la relacin entre

distintas seales senoidales, como la tensin y la corriente que circulan por un circuito o las

tensiones de fase de un circuito trifsico.

La fraccin del tiempo que ha transcurrido para que la corriente tome un determinado valor,

tambin se define como el argumento que lleva la funcin de onda o el ngulo que forma el fasor

con el eje horizontal.

En una seal senoidal o sinusoidal, ( ), tensin ( ), o corriente ( ), se puede expresar matemticamente segn sus parmetros caractersticos como una funcin del tiempo por medio de la

siguiente ecuacin:

( ) ( )

Donde:

: Es la amplitud en voltios o amperios (tambin llamado valor mximo o de pico). : La pulsacin en radianes/segundo. : El tiempo en segundos. : El ngulo de fase inicial en radianes.

Dado que la velocidad angular es ms interesante para matemticos que para ingenieros, la frmula

anterior se suele expresar como:

( ) ( )

Donde es la frecuencia en hertzios ( ) y equivale a la inversa del perodo:

Los valores ms empleados en la distribucin son 50 Hz y 60 Hz.


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3. Qu es el valor eficaz, de pico, y de pico a pico de una seal de corriente (o voltaje) de CA?

Explique las relaciones entre estos parmetros.

a) Valor eficaz ( ): El valor eficaz se define como el valor de una corriente o tensin continua que produce los

mismos efectos calricos que su equivalente de alterna.

Se define como aquel valor de continua que al circular por una resistencia produce el mismo

efecto calorfico que dicha corriente alterna, de esta manera una corriente eficaz produce el

mismo efecto que su equivalente numrico en continua.

b) Valor de pico ( ): Como en una seal sinusoidal el semiciclo positivo es idntico al negativo, su valor medio es

nulo. Por eso el valor medio de una Oscilacin sinusoidal se refiere a un semiciclo. Se le

denomina as al valor mximo medido desde cero que puede tomar la funcin.

c) Valor de pico a pico ( ): Es el valor entre los picos mximo y mnimos que puede tener la seal, equivalente al doble del

valor de pico. Diferencia entre su pico o mximo positivo y su pico negativo:

4. Indicar las precauciones para el uso del voltmetro CA.

Como regla general podemos decir que, como al medir operamos sobre circuitos bajo tensiones evitar entrar en contacto con las partes bajo tensin.

No conectar el circuito a la fuente antes de haber concluido y verificado todos los conexionados. Ello evitar igualmente que se daen o destruyan instrumentos y/o

componentes del circuito a medir.

La segunda precaucin de tipo general es tener una idea aproximada del orden de magnitud de lo que queremos medir para poder elegir instrumentos de rango adecuado: si el valor a

fondo de escala (alcance) es inferior a la magnitud de la variable a medir ste se quemar.

Ubicar la perilla en la seccin donde se medir voltaje de corriente alterna (VAC o V~) considerando la escala dejando un rango por encima de la medida que vamos a tomar. Si no

tenemos seguridad sobre el orden de magnitud comenzar con la escala de mayor alcance

para luego ir bajando.

Verificar que tipo de corriente vamos a medir que al medir el voltaje desconocido se debe empezar con instrumentos de mayor gama o capacidad. Que los terminales estn bien

conectados, para DC con la polaridad correcta: el negro es negativo y el rojo es positivo. No


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importa las puntas del voltmetro en que polaridad la ponga siempre la medida ser positiva y

como ya conocemos la tensin se mide en paralelo

Conectar siempre en paralelo con la carga. Como su resistencia interna es muy alta (lo ideal sera que fuera infinita) si se conecta en serie es equivalente a interrumpir el circuito.

Nunca se debe intentar medir alta tensin con un voltmetro comn porque se corre el riesgo de recibir una descarga elctrica

5. Definir la sensibilidad de un voltmetro. Explique el efecto de carga de un voltmetro de CA.

Cmo se evitara este efecto de carga?

Definimos como sensibilidad del voltmetro, y en general para los instrumentos, el grado de exactitud en

cifras significativas que nos pueda entregar en la medida. El efecto de carga se denomina a los errores

que se tienen en la medicin producido por el instrumento a medida que se baja la escala para mejorar la

sensibilidad del instrumento, muchas veces es producido por efectos indeseados en le instrumentos

como resistencias internas o corrientes parasitas. Para reducir los efectos de carga lo ms recomendable

es subir la escala de medida o cambiar de instrumento de medicin.

La sensibilidad de un voltmetro se expresa de acuerdo con el nmero de ohmios por voltio, es decir, la

resistencia del instrumento. Para que un voltmetro sea preciso, debe tomar una corriente insignificante

del circuito y esto se obtiene mediante alta resistencia.

Cuando se conecta un voltmetro, a travs de dos puntos en un circuito altamente resistivo, acta como

un derivador para esa parte del circuito y por lo tanto reduce la resistencia equivalente en esa parte del

circuito. El medidor indicara un voltaje menor del que realmente existe antes de conectar el medidor. A

este efecto se le llama efecto de carga del instrumento; y lo causan principalmente instrumentos de baja

sensibilidad.

El efecto de carga se puede minimizar utilizando galvanmetros de alta sensibilidad, es decir,

mecanismos cuya sea tan baja que la especificacin ohmios/voltios del voltmetro , sea muy alta. Tambin se puede reducir el efecto de carga utilizando alcances mas altos del voltmetro en vez de

los mas bajos, cuando sea posible la eleccin.

Los efectos de carga de un voltmetro electrnico se pueden eliminar haciendo dos mediciones con el

mismo voltmetro, cada una en diferente alcance. Si las mediciones en el alcance 1 y en el alcance 2 de

tensin a, se puede hallar la tensin real sustituyendo , y a en la formula:

( )

6. Describa el mtodo para la medicin de voltajes de pico, de pico a pico, y eficaz con el

osciloscopio.

Para hallar el voltaje de pico, una vez ajustada la seal en el ORC, se procede a contar los cuadrados que

tiene la seal desde el origen (tiene q estar centrada) hasta su tope, y a esta cantidad se le multiplica lo

que nos indica el selector de voltios / divisin. Para el voltaje de pico a pico, el resultado del paso anterior se le multiplica por 2.

Una vez hallado el voltaje pico a pico, se procede a dividir este valor entre raz cuadrada de dos, as

obtendremos el voltaje eficaz. En un osciloscopio digital y en un multmetro este valor se halla

directamente, basta seleccin bien el rango de medida o usar auto rango (si es que el instrumento

dispone de esa opcin).


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7. Describa el mtodo para la medicin de frecuencia con el ORC.

Una vez que se tiene la seal en el osciloscopio, se centra dicha seal, y se cuentan los cuadrados, en

forma vertical, desde el origen de la seal hasta su fin (en un ciclo) y se procede a multiplicar dicha

cantidad por lo que nos indique el selector de base de tiempo, luego bastara aplicar la siguiente formula:

Aplicamos esta formula ya que el resultado que obtuvimos anteriormente es el periodo (T).

8. Describa el mtodo para la medicin del ngulo de diferencia de fase con el ORC.

Un mtodo empleado para medir diferencia de fases es el Mtodo de Lissajouss. La Figura muestra

como se puede determinar el ngulo de fase. La figura inferior debe estar centrada en los ejes X e Y del

osciloscopio.

Este mtodo determinar la diferencia de fase si se cumplen las siguientes condiciones:

1. La frecuencia de las dos seales debe ser la misma 2. La amplitud de las dos seales debe ser la misma. Si no son de la misma amplitud, los

controles de ganancia vertical y horizontal del osciloscopio se deben ajustar para obtener

las mismas desviaciones vertical y horizontal.

3. La forma de onda debe estar perfectamente centrada.

La seccin horizontal del osciloscopio posee un control etiquetado como X-Y, que nos va a introducir

en una de las tcnicas de medida de desfase (la nica que podemos utilizar cuando solo disponemos de

un canal vertical en nuestro osciloscopio).

El periodo de una seal se corresponde con una fase de 360. El desfase indica el ngulo de atraso

adelanto que posee una seal con respecto a otra (tomada como referencia) si poseen ambas el mismo

periodo. Ya que el osciloscopio solo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfase ser

indirecta.

Uno de los mtodos para medir el desfase es utilizar el modo X-Y. Esto implica introducir una seal por

el canal vertical (generalmente el I) y la otra por el canal horizontal (el II). (Este mtodo solo funciona

de forma correcta si ambas seales son senoidales). La forma de onda resultante en pantalla se denomina

figura de Lissajouss (debido al fsico francs denominado Jules Antoine Lissajouss).


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9. Explique, referente a la parte experimental, si existen diferencias entre los voltajes medidos y

calculados.

Siempre existirn diferencias ya que siempre van a estar presentes los errores sistemticos, adems del

margen de error que llevan consigo las resistencias, y del efecto de carga de los instrumentos de medida,

pero esta diferencia casi siempre es mnima y la mala manipulacin de instrumentos, ya que la variacin

ocurre en los decimales. Se debe procurar que sean las mnimas posibles.

10. Habr efecto de carga al medir voltajes con el ORC. Indique ventajas y desventajas de utilizar

un ORC como voltmetro de CA.

Como todo instrumento de medida, el ORC, tiene una circuitera interna la cual nos proporcionara un

efecto de carga al medir el voltaje en un circuito, el cual es pequeo. Si existen efectos de carga pues

existen resistencias internas. Las ventajas de usar al ORC como un voltmetro son:

Se obtiene el voltaje mximo de la seal.

o Se puede observar la forma de la seal y la calidad de la misma.

o Se puede hallar la relacin de tiempo / divisin por ciclo de la seal.

o Si el osciloscopio es digital, tambin se puede observar el voltaje eficaz y la frecuencia de la

seal.

o Se puede usar para ver las caractersticas del cualquier tipo de seal (sinusoidal, cuadrada o

triangular).

Las desventajas son:

o Solo aparece el voltaje mximo (a menos que el osciloscopio sea digital), para encontrar el

voltaje eficaz se realiza una operacin matemtica.

o Para hallar la frecuencia se invierte el valor obtenido en la marca de tiempo por divisin.

o Se debe graduar bien el selector de ganancia vertical y de tiempo por divisin para evitar ver una

seal con distorsin.

o Se corre el riesgo que las puntas de prueba estn fallando y se observe una seal con ruido.

11. Considera Ud. exacta la medicin de la frecuencia mediante la medicin del perodo.

Si, ya que este o no bien calibrado el generador, en el ORC mediremos el periodo y aplicando la formula

encontraremos la frecuencia exacta que nos este dando el generador. Si es exacta puesto que estas dos

estn bien relacionadas.

12. Cuando es conveniente emplear la frecuencia de la red como referencia para la medicin de

frecuencia mediante las figuras de Lissajouss.

Es conveniente aplicar este mtodo cuando tengamos la seal de un generador exactamente calibrado, el

cual da la frecuencia de referencia o patrn, esta seal es aplicada a la entrada horizontal del osciloscopio, mientras que la seal de la frecuencia que se desea medir se aplica a la entrada vertical.

Mtodo de medicin de la frecuencia con las figuras de Lissajouss.

Para ello hacemos lo siguiente:

a) Usamos una seal de patrn, en este caso la corriente alterna domestica tiene una frecuencia de

60 , por ello utilizaremos un transformado conectado al canal 1.


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b) Conectamos el generados de seales al canal dos y tratamos de calibrar las imgenes, luego

seleccionamos el modo , as obtenemos la figura de lissajouss: c) Calculamos la frecuencia a partir de la figura por la formula:

( )

Donde es la frecuencia conectada al canal 2, es la frecuencia patrn y y , son los cortes de la figura con los ejes , del primer cuadrante vertical y horizontal respectivamente.

13. Conclusiones.

Lo que podremos apreciar en esta experiencia es las ventajas y desventajas de usar un osciloscopio como un voltmetro AC, el clculo de la frecuencia en el osciloscopio ya sea

mediante el conteo de los cuadrados o por el mtodo de Lissajouss. Veremos el uso adecuado del

osciloscopio para medir el valor eficaz, de pico y de pico a pico.

En CC la corriente es constante y en CA su magnitud y sentido varan con el tiempo, en CA su forma de oscilacin ms usada es la senoidal. Previamente a la conexin de un voltmetro se

debe conocer aproximadamente el valor de la tensin ya que estos instrumentos estn diseados

en muchos casos para diferentes rangos de voltaje.

Para concluir, el osciloscopio es un instrumento muy verstil y til para el uso en laboratorios y en particular para los ingenieros elctricos y electrnicos.

B I B L I O G R A F A

1. EDMINISTER Joseph A. Circuitos elctricos teora y problemas resueltos. Editorial The McGraw-Hill. Mxico. 1969

2. ALEXANDER Charles K., SADIKU Matthew N. O. Fundamentos de circuitos elctricos. 5 edicin. Editorial The McGraw-Hill. Mxico D.F..

Mxico. 2013

3. DORF Richard C., SVOBODA James A. Circuitos elctricos. 5 edicin. Editorial Alfaomega. Mxico D.F.. Mxico. 2003

4. NILSSON James W, RIEDEL Susan A. Fundamentos de circuitos elctricos. Editorial The McGraw-Hill. Mxico. 2006

5. BOYLESTAD Robert L. Introduccin al anlisis de circuitos. Editorial Pearson Prentice Hall. Mxico. 2004

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