UNIVERSIDAD NACIONAL "PEDRO RUIZ GALLO"

FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA ELÉCTRICALABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MÁQUINAS

ELÉCTRICAS

CURSO

Laboratorio de circuitos Eléctricos I

CATEDRÁTICO

Lic. Gutiérrez Atoche Egberto

PRÁCTICA DE LABORATORIO N° 11

Efecto de carga de un voltimetro

DATOS PERSONALES

Esquivel Ventura Andrés

130508-E 2015-II

NOTA

LABORATORIO N°11: EFECTO DE CARGA DE UN VOLTIMETRO

I. OBJETIVO:

Analizar en forma experimental el efecto de carga que representa un voltímetro en un circuito.

II. FUNDAMENTO TEÒRICO:

Hay muchos métodos e instrumentos diferentes que se emplean para medir la corriente y el voltaje. Las mediciones de voltaje se efectúan con dispositivos tan variados como los voltímetros electromecánicos, voltímetros digitales, osciloscopios y potenciómetros.

Los métodos para medir corrientes implican los instrumentos llamados amperímetros. Algunos amperímetros funcionan censando realmente la corriente, mientras que otros la determinan indirectamente a partir de una variable asociada como lo es el voltaje, el campo magnético o el calor.

Los medidores que determinan el voltaje y/o la corriente se pueden agrupar en dos clases generales: medidores analógicos y medidores digitales. Aquellos que implican mecanismos electromecánicos para mostrar la cantidad que se está midiendo en una escala continua (es decir analógica) pertenecen a la clase analógica. En este capítulo se analizarán esos medidores analógicos, junto con la información básica conceptual, asociada con el funcionamiento de los medidores. Los medidores digitales.

Un amperímetro siempre se conecta en serie con una rama del circuito y mide la corriente que pasa a través de él. Un amperímetro ideal sería capaz de efectuar la medición sin cambiar o perturbar la corriente en la rama. (Esta medición sin perturbaciones sería posible si el medidor pareciera como un cortocircuito con respecto al flujo de corriente). Sin embargo, los amperímetros reales poseen siempre algo de resistencia interna y hacen que la corriente en la rama cambie debido a la inserción del medidor.

En forma inversa, un voltímetro se conecta en paralelo con los elementos que se miden. Mide la diferencia de potencial (voltaje) entre los puntos en los cuales se conecta. Al igual que el amperímetro ideal, el voltímetro ideal no debería hacer cambiar la corriente y el voltaje en el circuito que se está midiendo Esta medición ideal del voltaje sólo se puede alcanzar si el voltímetro no toma corriente alguna del circuito de prueba (debería parecer como circuito abierto entre los dos puntos a los cuales se conecta). Sin embargo la mayoría de los voltímetros reales trabajan tomando una corriente pequeña, pero finita y por lo mismo también perturban el circuito de prueba hasta cierto grado. Más

adelante se describirá la magnitud de los errores de medición originados por tales aspectos no ideales de los medidores reales.

MOVIMIENTO DE LOS MEDIDORES ELECTROMECANICOS

Movimiento del Galvanómetro de D`ArsonvaI.

El mecanismo sensor más común que se emplea en los amperímetros y voltímetros electromecánicos es un dispositivo sensor de corriente. Este mecanismo fue desarrollado por D'Arsonval en 1881 y se llaman el movimiento deD'Arsonval o movimiento de imán permanente y bobina móvil. También se emplea en algunos óhmetros, medidores rectificadores de CA y puentes de impedancia. Su aplicación tan difundida se debe a su sensibilidad y exactitud extremas. Se pueden detectar corrientes de menos de 1 fA mediante instrumentos comerciales (Algunos instrumentos de laboratorio que se emplean en los movimientos de D'Arsonval pueden medir corrientes tan pequeñas como 1.0 x 10-13 A. El movimiento detecta la corriente empleando la fuerza que surge de la interacción de un campo magnético y la corriente que pasa a través de él. La fuerza se emplea para generar un desplazamiento mecánico, que se mide en una de esa calibrada.

Las cargas que se mueven en forma perpendicular al flujo de un campo magnético experimentan una fuerza perpendicular tanto al flujo como a la dirección de movimiento de las cargas. Como la corriente que pasa por un conductor se debe a un movimiento de cargas, esas cargas estarán sujetas a la fuerza magnética si se orienta adecuadamente al conductor dentro de un campo magnético. La fuerza se transmite mediante las cargas a los átomos en el conductor. y se fuerza al conductor mismo a moverse. Como ejemplo, colóquese un conductor en un campo orientado como se muestra en la figura 4-1 a). La dirección de la fuerza en el conductor que lleva la corriente se encuentra fácilmente mediante la regla de la mano derecha. El dedo índice apunta en la dirección de la corriente convencional y el dedo medio apunta en la dirección del campo magnético. La ecuación vectorial que define a esta fuerza es:

F=iL x B

Siendo F a fuerza en newtons en el conductor, i es la corriente en amperes, L es la longitud del conductor en metros y B la intensidad del campo magnético en webers/metro cuadrado. El seno del ángulo entre L y B se representa por X. Cuando se emplea la regla de la mano derecha, el ángulo es 90° y el valor del seno es por lo tanto 1. Si la corriente fluye hacia arriba a través de este conductor. la fuerza hará que el alambre se mueva hacia la derecha. Si se dobla el conductor en forma de una bobina rectangular y se le suspende en el mismo campo magnético, la fuerza resultante sobre el conductor tenderá a hacer girar a la bobina como se indica en la figura 4-2 a).

Un voltímetro es un instrumento destinado a medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, tal como se indica esquemáticamente en la figura 1. Observemos que el voltímetro se conecta en paralelo. Los voltímetros se suelen construir utilizando un microamperímetro (o galvanómetro) como aparato base al que se añade en serie una resistencia. Esta resistencia, junto a las características del aparato base, define el margen de medida del voltímetro. Los voltímetros usuales disponen de varias escalas, lo que significa que el fabricante ha montado en su interior las resistencias adecuadas para cada una de ellas. Desde el punto de vista de una red eléctrica, el circuito equivalente de un voltímetro es su resistencia interna.

Un voltímetro ideal sería aquel cuya conexión a cualquier red eléctrica no produjera modificación alguna de las corrientes y potenciales existentes en la misma. De esta forma la diferencia de potencial medida correspondería efectivamente a la existente antes de la conexión. El voltímetro ideal presentaría una resistencia interna infinita. Sin embargo, los voltímetros reales presentan una resistencia interna finita y ello supone que una cierta corriente se desvíe por el aparato al conectarlo a un circuito dado, modificando las corrientes y potenciales preexistentes en el circuito. Este hecho se conoce como efecto de carga del voltímetro, y justifica la importancia de conocer las características del aparato que en su momento se utilice, y saber deducir de las mismas si su efecto de carga es o no despreciable. Si el efecto de carga es despreciable, entonces podremos hacer uso del voltímetro como si se tratara de un voltímetro ideal, situación deseable desde el punto de vista práctico. Si por el contrario el efecto de carga no es despreciable, entonces todavía se puede hacer uso del voltímetro, pero teniendo presente que la diferencia de potencial medida es distinta de la preexistente antes de conectar el aparato, la cual puede calcularse en algunos casos a partir de la medida.

MANEJO DE LOS APARATOS ANALÓGICOS Y DIGITALES

En esta práctica usaremos un voltímetro analógico, un amperímetro analógico y un polímetro digital. Este último servirá como voltímetro y como amperímetro. Aunque el funcionamiento interno de los aparatos analógicos y digitales puede ser diferente, desde el punto de vista de las medidas ambos se caracterizan de igual forma, teniendo el mismo circuito equivalente. Genéricamente podemos adelantar que en régimen de corriente continua todos los aparatos tienen un borne positivo (+) y un borne negativo (-); el voltímetro mide siempre la diferencia de potencial entre el borne positivo y el borne negativo (V+-V-) y el amperímetro la corriente que entra por el borne positivo y sale por el negativo.

Los aparatos analógicos deben conectarse en posición vertical u horizontal según las indicaciones del fabricante ( ⊥ posición vertical, ⎯ posición horizontal). En particular, los aparatos analógicos de esta práctica se pueden utilizar en posición horizontal o ligeramente inclinada. Estos aparatos pueden medir diferencias de potencial o intensidad de corriente en régimen de corriente continua o alterna. En esta práctica se utilizara únicamente para medidas en continua, de manera que SÓLO SE SELECCIONARAN POSICIONES DEL CONMUTADOR EN LOS RANGOS MARCADOS EN BLANCO (con el símbolo). En este caso, ambos aparatos tienen dos bornes: uno positivo (+) y otro negativo (COM). Por otra parte, hay diferentes escalas graduadas superpuestas, pero dichas escalas graduadas tienen unidades arbitrarias: el fondo de escala nos indica que el aparato mide entre 0 (voltios o amperios) y el valor del fondo de escala. El fondo de escala está determinado por la posición del conmutador. Para realizar una medida deberemos fijar, inicialmente, el mayor fondo de escala del aparato; seguidamente, después de realizar la lectura, iremos disminuyendo el fondo de escala, GIRANDO MUY SUAVEMENTE el conmutador hasta que hagamos una medida en la que no nos salgamos del fondo de escala. Los aparatos analógicos se dañan cuando la aguja se sale de escala, por lo que nunca deberemos consentir que la medida sea mayor que el fondo de escala en el que trabajamos, y, si sucede por un descuido, deberemos desconectar rápidamente el aparato.

El voltímetro y amperímetro digital que se empleará en esta práctica es parte de un polímetro que puede medir diversas magnitudes. Dicho polímetro se puede conectar indistintamente en posición vertical u horizontal. Por lo común, todos los polímetros que se construyen miden las siguientes magnitudes: - Intensidad de corriente continua - Intensidad de corriente alterna - Diferencia de potencial de corriente continua - Diferencia de potencial de corriente alterna - Resistencias.

El polímetro es pues un aparato que puede hacer las funciones de amperímetro, voltímetro u óhmetro. Cada posición del selector corresponde a una función del polímetro y un margen de medida (por lo que el fondo de

escala se determina con un conmutador), que queda indicado. Las unidades de la magnitud que se lee en el dial corresponden a la unidad asociada al fondo de escala seleccionado. Las posibles funciones de nuestro polímetro son: DCV= voltímetro de corriente continua ACV= voltímetro de corriente alterna OHMS= óhmetro o medidor de resistencias DCA= amperímetro de corriente continua ACA= amperímetro de corriente alterna.

Para manejar correctamente el polímetro y evitarle posibles daños, el selector debe situarse en la posición que seleccione la función correcta ANTES DE CONECTARLO y en el mayor margen o escala posible. Si el indicador no sobrepasa el valor máximo de la escala inferior (lo que se observa cuando aparece un 1 en la pantalla), entonces posicionaremos el selector en la escala inferior, hasta conseguir una medida lo más precisa posible. Es decir, para realizar una medida deberemos elegir el mayor margen de escala posible; seguidamente iremos disminuyendo dicho margen de escala, GIRANDO MUY SUAVEMENTE EL CONMUTADOR, hasta encontrar un 1, para “subir” hacia el inmediato superior (así conseguiremos el mayor número de cifras significativas).

Antes de comenzar las medidas de la práctica se recuerda que el error de sensibilidad de una medida directa es el correspondiente al valor más pequeño que puede apreciarse. Así pues, cada vez que se haga una medida con un aparato anotad la escala en la que se hace y la sensibilidad de dicha escala (que no tiene porqué ser la división más pequeña).

MEDIDAS BÁSICAS CON VOLTÍMETRO

Montar el circuito de la figura 3. ε1 es la pila de 4,5 V (pila de “petaca”). Utilizar el voltímetro analógico y luego el digital para medir VA-VB. Esta diferencia de potencial corresponderá a la fuerza electromotriz de la pila. Comparad los valores medidos con el correspondiente valor nominal.

CARACTERIZACIÓN DEL VOLTÍMETRO ANALÓGICO

Determinaremos en este apartado la resistencia interna del voltímetro en la escala de 10 V de continua (en los voltímetros analógicos la resistencia interna depende de la escala).

Montar el circuito de la figura 4. Los puntos A y C corresponden con los puntos fijos del reóstato, siendo B el punto móvil. La resistencia variable es la caja de resistencias de seis décadas (de 10 a 106 Ω), y el voltímetro se comporta como una resistencia r. Con R=0 ajustar el reóstato para un valor V0 de la escala del voltímetro. Elegir un valor entero o cuya mitad sea fácilmente medible (ver párrafo siguiente). La variación de V con R viene dada por:

V ≈ (r /(R + r))xV0 …………..(1)

Según la relación (1) r será igual al valor de R para el que V=V0/2. Para ello, basta con ajustar el valor de R hasta medir con el voltímetro un valor de V que corresponda a la mitad del valor inicial (V0). Como se pretende medir la resistencia interna del voltímetro, y dicho valor depende del fondo de escala, esta secuencia de medidas deberemos hacerla sin cambiar el fondo de escala.

CARACTERIZACIÓN DEL VOLTÍMETRO DIGITAL

Determinaremos en este apartado la resistencia interna del voltímetro digital para la escala de 20 V (En el caso del voltímetro digital todas las escalas tienen la misma resistencia interna) empleando el mismo circuito que en el apartado anterior, pero sustituyendo el voltímetro analógico por el voltímetro digital.

EFECTO DE CARGA DEL VOLTÍMETRO

Montar los circuitos de la figura 5 y medir en cada caso VA-VC, VA-VB y VBVC. Medir cada una de estas diferencias de potencial con el voltímetro analógico usando el mismo fondo de escala (10 V), y observar si se verifica la igualdad:

(VA-VC) = (VA-VB) + (VB-VC) ……………..(2)

Repetir la misma secuencia de medidas con el voltímetro digital (en la escala de 20 V).

III. COMPONENTES, EQUIPOS E INSTRUMENTOS:

Dos fuentes de alimentación de C.C.

Voltímetro Digital de C.C.

Voltímetro Análogo de C.D.

Resistores de carbón (varios)

IV.PROCEDIMIENTO:

1. Construir el circuito de la figura 01

2. Medir la tensión RL con cada uno de los voltímetros, utilizando diferentes rangos de medida, que se dispone anótelo en la tabla #01.

RL V1

(200mV)V2

(2V)V3

(20V)V4

(200V)V5 (1000V)

RL’ - 0.363 0.36 0.3 0RL’’ - - 5.33 5.3 5RL’’’ - - 7.21 7.2 7RL’’’’ - - 7.39 7.4 7RL’’’’’ - - 7.47 7.4 7RL’’’’’’ - - 7.82 7.8 8

3. Repetir el valor para cada uno de los diferentes valores de RL que se disponen, y anótelos en la tabla #01.

RL’=220Ω

RL’’=10kΩ

RL’’’=56kΩ

RL’’’’=82kΩ

RL’’’’’=100kΩ

RL’’’’’’=8.2MΩ

TABLA N°01RL V1

(200mV)V2

(2V)V3

(20V)V4

(200V)V5 (1000V)

RL’ - 0.363 0.36 0.3 0RL’’ - - 5.33 5.3 5RL’’’ - - 7.21 7.2 7RL’’’’ - - 7.39 7.4 7RL’’’’’ - - 7.47 7.4 7RL’’’’’’ - - 7.82 7.8 8

4. Con el ohmímetro medir los respectivos valores de los resistores utilizados en el circuito.

V. CUESTIONARIO:

1. Qué entiende usted por sensibilidad voltimétrica e impedancia de entrada del voltímetro.

Se define como la impedancia que presenta el multímetro en sus terminales, al conectarse al circuito de medida. De esta manera se tiene que:

El voltímetro digital presenta una impedancia de entrada formada por un circuito RC paralelo. La resistencia Rv se encuentra en el orden de los megos ohmios (MΩ) y la capacitancia Cv, en el orden de los pico faradios (pF):

Ilustración 17 Modelo De Impedancia Para El Voltímetro (A.C)

Para corriente directa, el circuito equivalente del voltímetro será:

Ilustración 18 Modelo De Impedancia Para El Voltímetro (D.C)

Ilustración 19 Modelo Impedancia Amperímetro (A.C y D.C)

2. Determine la resistencia interna de cada uno de los voltímetros utilizados.

Utilizamos un multímetro variando el rango, para hacer nuestra practica.3. Con los valores medidos de los resistores calcule la tensión de VAB para

cada uno de los resistores RL utilizados.

RL’=220Ω

RL’’=10kΩ

RL’’’=56kΩ

RL’’’’=82kΩ

RL’’’’’=100kΩ

RL’’’’’’=8.2MΩ

4. Compare los resultados experimentales (medidos) con los teóricos (calculados) anótalos en la tabla #02.

TABLA N°02RL VT VE EA ER% RL’ 368.151mV 0.36V 8.1mV 2.2%RL’’ 5.405V 5.33V 0.075V 1.38%RL’’’ 7.234V 7.21V 0.024V 0.33%RL’’’’ 7.407V 7.39V 0.017V 0.23%RL’’’’’ 7.476V 7.47V 0.006V 0.08%RL’’’’’’ 7.804V 7.82V 0.016V 0.2%

5. Explique por qué es deseable que la impedancia de entrada de un voltímetro, tenga un valor muy alto. Cuáles son los efectos en el circuito de prueba, si la impedancia de entrada del voltímetro baja.

Si la impedancia del voltímetro fuese baja en comparación con la resistencia del resistor, entonces el voltímetro no reconocería la medida exacta del resistor colocándose “1” como resultado del voltímetro.

Si un voltímetro tiene una baja impedancia de entrada baja, digamos 10kΩ y se está midiendo un voltaje a extremos de una resistencia de 10kΩ, el multímetro está cambiando efectivamente el valor de la resistencia a 5KΩ ( ya que dos resistencias de 10kΩ en paralelo = resistencia 5kΩ). Por consiguiente, el voltímetro ha cambiado los parámetros del circuito, y realmente, está leyendo una tensión errónea. Esas dos resistencias forman un divisor de potencial que se utiliza para bajar el voltaje que se mide a un nivel que Arduino pueda leer, además de ser la impedancia de entrada.

Un conjunto multímetro digital para medir voltaje DC típicamente tendrá una impedancia de entrada de 10MΩ o superior. Esto significa que la resistencia entre las dos sondas o terminales del multímetro es de 10MΩ o más.

Así pues, es deseable una alta impedancia de entrada para un voltímetro (o multímetro en la escala de voltaje). Cuanto mayor impedancia de entrada, menos probable es que el multímetro influya o cambie lo que está midiendo del circuito. Al medir (con un multímetro que tiene una impedancia de entrada de 10 millones de ohmios) el voltaje a extremos de un componente en un circuito, es el mismo que la conexión de una resistencia de 10MΩ en paralelo con el circuito; no influye.

Así que, queremos una alta impedancia de entrada en nuestro circuito divisor de tensión, y que la impedancia de este “voltímetro” no vaya a influir en el circuito que se esté bajo prueba.

Sin embargo, como regla general, un dispositivo de alta impedancia de entrada será generalmente propenso a recoger más ruido o interferencias (EMI) que un dispositivo de baja impedancia de entrada, por ese motivo se debe adaptar un filtro de paso alto.

La fórmula para calcular los valores en un divisor de tensión es:

Vout = (R2 / (R1 + R2)) * Vin

Por lo tanto, puesto que Arduino admite un Vmax de 5V en sus entradas analógicas, si el divisor está funcionando correctamente, entonces el Vout será de un máximo de 5V, y para poder calcular la tensión máxima de entrada al circuito usaremos:

Vmax = 5,0 / (R2 / (R1 + R2))

6. Se tienen cinco voltímetros diferentes en la figura 03. SE mide un voltaje de 10V en serie con una resistencia de 1000Ω

TABLA V1

(200mV)V2

(2V)V3

(20V)V4

(200V)V5 (1000V)

RL - - 10 10 10

VI. Anexos

Tabla N° 01

RL V1

(200mV)V2

(2V)V3

(20V)V4

(200V)V5 (1000V)

RL’ - 0.363 0.36 0.3 0RL’’ - - 5.33 5.3 5RL’’’ - - 7.21 7.2 7RL’’’’ - - 7.39 7.4 7RL’’’’’ - - 7.47 7.4 7RL’’’’’’ - - 7.82 7.8 8

Tabla N° 02

RL VT VE EA ER% RL’ 368.151mV 0.36V 8.1mV 2.2%RL’’ 5.405V 5.33V 0.075V 1.38%RL’’’ 7.234V 7.21V 0.024V 0.33%RL’’’’ 7.407V 7.39V 0.017V 0.23%RL’’’’’ 7.476V 7.47V 0.006V 0.08%RL’’’’’’ 7.804V 7.82V 0.016V 0.2%

VII. CONCLUSIONES:

Todos los voltimetros son diferentes y cada uno tiene su impedancia de entrada que se puede verificar en la guía de usuario de cada voltimetro.

Para que el voltímetro pueda medir correctamente la tensión de cada resistor de ser la impedancia del voltimetro muy alta.

Todo dispositivo en el campo eléctrico tiene un límite superior de corriente que si resulta excedido podría causar la destrucción del aparato. En consecuencia, antes de emplear cierto equipo en un circuito, verifique que, en esas condiciones no sobrepasara la máxima intensidad soportable por él.

Al utilizar un medidor analógico procure que sus deflexiones estén en lo posible, en los tercios superiores de la escala.

VIII. RECOMENDACIONES

Leer cuidadosamente las especificaciones del instrumento, poniendo especial cuidado en lo que respecta a seguridad, características del instrumento y operación

Tener siempre presente que los instrumentos tienen campos específicos de aplicación.

Utilice la menor cantidad de cableado posible, tanto en cantidad como extensión. Evite usar empates para sus mediciones.

IX. LINKOGRAFÌA:

http://html.rincondelvago.com http://wwwpub.zih.tudresden.de/~fhgonz/carrera/3o/teem/

p1voltimetroamperimetro.pdf http://comunidad.udistrital.edu.co/medidaselectricas/2-1-1/ http://volyam.blogspot.pe/ https://prezi.com/wuqo_cqarekm/efecto-de-carga/