Informe 1

7/17/2019 Informe 1

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, INFORME NO.1 CIRCUITOS II. 1, SEPTIEMBRE 2015 1

Uso de equipos de laboratorio e instrumentos de

medidaMonica Castillo , Herzon Martinez , Alejandro Suarez

Resumen—En el presente documento se analizan las medicio-nes de circuitos electricos mixtos bajo diversas condiciones defrecuencia y forma de se ˜ nal de onda de alimentacion.

Keywords— Instrumentos, medidas, resistencias.

I. INTRODUCCION

La medicion de una magnitud electrica o una magnitud engeneral, conlleva ademas del conocimiento del objeto a medir,la seguridad con la que se realiza la medicion abarcando eldominio de conceptos tales como: Exactitud, precision, escalay rango, por ello en el presente documento se hace hincapie enel conocimiento de estos conceptos basicos de una buenamedicion y el analisis comparativo entre los equipos empleadospara tal proposito.

II. OBJETIVO

Conocer y hacer uso adecuado de los elementos de medi-cion, estableciendo diferencias entr eel empleo de las distintasescalas de los equipos y los tipos de medicion de tension (valoreficaz, promedio (DC), maximo).

III. MARCO TEORICO

III-A. Conceptos b´ asicos para mediciones[1]

• Magnitud: Se denomina magnitud a la propiedad de uncuerpo que le permite ser medido, es decir ser comparado

con una cantidad inicial; existen magnitudes basicas comola longitud cuya unidad de medida es el metro, tambien seencuentran magnitudes derivadas como la velocidad quienderiva de la longitud y el tiempo. Las magnitudes deben iracompanadas por su unidad de medicion.• Rango: El rango de un equipo, es el alcance que tiene este

para medir en otras palabras el espacio entre un lımite mınimoy maximo de los valores de magnitud en capacidad de medir.• Resolucion: Es el mınimo valor reportado en la lectura

del equipo• Exactitud:Es una indicacion de que tan cerca se encuentra

la medida reportada del valor considerado como real.• Precision: Es la capacidad de un instrumento de reportar

el mismo resultado en mediciones diferentes bajo las mismas

condiciones.• Error: Es la diferencia porcentual o absoluta entre losvalores teoricos y los obtenidos por el equipo en la medicion.• Incertidumbre: Es la caracterizacion de la dispersion en

valores registrados para una medicion.

III-B. Equipos de medici´ on

Para la presente practica y con seguridad posteriores se em-plearan instrumentos de medicion para magnitudes electricasdigitales o analogicos, principalmente: Multımetros, voltıme-tros, osciloscopio. Algunas indicaciones de funcionamiento sepresentan a continuacion:

Multımetro: El multımetro es un equipo multifuncional,permite conocer parametros electricos y termicos tales co-mo corriente y tension (AC/DC), impedancia, capacitancia,temperatura, frecuencia entre otros, la cantidad de funcionesdepende del alcance del equipo y es proporcional con su costo

y aplicaciones. Los multımetros no pueden medir magnitudesdiferentes de manera simultanea y tienen un rango menor quelos analizadores de potencia, que permiten mayor rango enmediciones y ancho de banda.

Multimetro utilizado. Alejandro Suarez.

Osciloscopio: Es un instrumento que permite observar la

variacıon de una senal de manera grafica enmarcado en planosde magnitudes que permiten conocer tension y frecuencia prin-cipalmente, por ejemplo un impulso cuyo estado transitorio esmuy pequeno, sera poco apreciado en un equipo de medicioncomo un multımetro , pero un osciloscopio quien esta enfuncion del tiempo permite analizar tal transitorio de maneraconfiable, ya que permite la interfaz directa y grafica de lassenales electricas en general, variables en el tiempo.

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Osciloscopio utilizado. Alejandro Suarez.

III-C. Recomendaciones

Estar seguro de la disposicion fısica de los equipos almomento de tomar una medicion, ası como funcion AC/DC.

Es importante conocer la magnitud a medir y su valoresperado, de esta manera seleccionar el equipo adecuado ymedir de manera segura para el equipo, la fuente a medir y elusuario.

Los equipos de medicion son sensibles a los golpes por locual no se debe golpear, en caso de golpear se debe compararsu medicion con otro equipo de las mismas especificaciones yreportar en caso de que los valores sean diferentes.

Se debe verificar que el equipo no indique bajo nivel debaterıa (en caso de los multımetro) pues esto puede aumentarel error o llevar a mediciones erroneas, es muy importante

recordar que se debe ahorrar baterıa apagando el equipocuando no este en uso.

IV. DESCRIPCION DE LA PRACTICA

IV-A. Materiales e Instrumentos requeridos

Para la realizacion de la practica numero 1 de circuitos II,se emplearon los siguientes materiales:• 1 Osciloscopio de 2 canales Analogo• 1 Generador de senales• 1 Fuente DC• 2 Sondas no atenuadas• 2 Multımetros digitales• Cable Banana-Caiman

• Cables de caiman-caiman

IV-B. Metodolog ıa

Esta practica se divide en tres secciones:

a) Medici´ on de Resistencias

Se mideron resistencias de diferente magnitud (entre 1Ω y 2 0 MΩ) con el multımetro en varias escalas. Secompararon los resultados entre mediciones realizadas endiversas escalas y se explicaran las diferencias teniendo encuenta el valor de tolerancia de cada resistencia.

b) Medici´ on de tensi ´ on y corriente de un circuito Mixto con fuente DC

Se diseno un circuito con mınimo 5 resistencias en serie yparalelo el cual se alimento con una fuente DC (ver figura1). Se asigno un valor de tension a la fuente y seleccionaronlas resistencias de tal forma que se cumplieron las restric-ciones de potencia para cada una. Realizando los calculospara encontrar las tensiones y corrientes de cada elementoy posteriormente medir la tension y la corriente de cadauno con el multımetro y con el osciloscopio.

c) Medici´ on de tensi´ on y corriente de un circuito Mixto congenerador de se˜ nales a distintas formas de onda y nivel DC

Igual que en la parte B el generador se programa conuna onda sinusoidal a distinta frecuencia, con un nivel DC(Offset) y una senal triangular.

V. DIS ENOS Y CALCULOS

Para cumplir el objetivo de la presente actividad, en cadaapartado se realizan los disenos y calculos necesarios, ası comolas tablas para registrar la informacion obtenida.

V-A. Medici´ on de resistencias

Se mediran las siguientes resistencias en diferentes escalas.Ver numeral VI resultados.

Resistor Resistencia (k Ω) Potencia (W) Tolerancia ( %)

R1 1 0.25 5

R2 2 0.25 5

R3 2.2 0.25 5

R4 10 0.25 5

R5 100 0.25 5

Cuadro I. MEDICION DE RESISTENCIAS MULTIMETRO.

V-B. Medici´ on de tensi´ on y corriente de un circuito en serie y en paralelo con fuente DC

Con el fin de registrar los valores de tension y corriente parael circuito descrito en la metodologıa b, se diseno el siguientecircuito en serie y en paralelo:

Figura 1. Circuito en serie y paralelo.

Del circuito de la Figura 1, se escogieron las siguientesresistencias:

Resistor Resistencia (k Ω) Potencia (W) Tolerancia ( %)

R1 1 0.25 5

R2 2 0.25 5

R3 2.2 0.25 5R4 3 0.25 5

R5 2.7 0.25 5

Cuadro II. VALORES TEORICOS RESISTENCIAS.

De la Figura 1 se calcularon teoricamente las tensiones ycorrientes usando la tecnica de Analisis de mallas obteniendoel siguiente sistema de ecuaciones:

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5, 2K Ω ∗ I 1 − 4, 2K Ω ∗ I 2 = 5 V (1)

−4, 2K Ω ∗ I 1 + 9, 9K Ω ∗ I 2 = 0 V (2)

Las ecuaciones (1) y (2) corresponden a la malla 1 y 2respectivamente de la fig. 1 y usando cualquier tecnica desolucion de ecuaciones se puede conocer que:

I1 = 1, 462 mAI2 = 621 µA

Se comprobo este resultado a traves del uso de los simu-ladores Qucs y Workbench, en ekl cuadro 4 se muestran losvalores obtenidos teoricamente:

Elementos Resistencia (k) Corriente (mA) Tension (V) Potencia (mW)

V1 – 1.46 5 7.32R1 1 1.16 1.46 2.14

R2 2 0.842 1.68 1.05

R3 2.2 0.842 1.85 1.15

R4 3 0.621 1.86 1.57

R5 2.7 0.621 1.68 1.41

Cuadro III. VALORES OBTENIDOS TEORICAMENTE CIRCUITO FIGURA

1.

V-C. Medici´ on de tensi´ on y corriente de un circuito en serie y paralelo con generador de se˜ nales a distintas formas de onda y nivel DC

En la figura 2 se evidencia el circuito alimentado porun generador de senales con forma de onda seno en bajafrecuencia, en la figura 3 la misma configuracion circuital enalta frecuencia. En la figura 4 se presenta el circuito parauna senal sinusoidal con offset con alta y baja frecuencia,por ultimo en la figura 5 esta el circuito alimentado por unaonda triangular con las anteriores situaciones de frecuencia.Los resultados obtenidos se presentan en el numeral VI.

Figura 2. Circuito de onda seno a baja frecuencia.

Figura 3. Circuito de onda seno a alta frecuencia.

Figura 4. Circuito de onda seno con nivel DC.

Figura 5. Circuito de onda triangular.

VI. RESULTADOS Y ANALSIS

VI-A. Medici´ on de resistencias

Resistencia Resistencia

teorica (k Ω) Tolerancia ( %) Escala (Ω) Medi cion (Ω)

1 1 5Mega 0.00Kilo 0.989

Ohm OL

2 2 5

Mega 0.0

Kilo 1.977Ohm OL

3 2.2 5

Mega 0.002

Kilo 2.158Ohm OL

4 10 5

Mega 0.01

Kilo 9.87

Ohm OL

5 100 5

Mega 0.09

Kilo 99.81

Ohm OL

Cuadro IV. VALORES MEDIDOS RESISTENCIAS CUADRO 1.

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Resistencia Error experimental ( %)

R1 1.10

R2 1.15

R3 1.91

R4 1.30

R5 0.19

Cuadro V. ERROR EXPERIMEN TAL RELATIVO.

Los valores obtenidos en la tabla 5 muestran los valores

de error experimental relativo que se encuentra dentro de lasespecificaciones del fabricante del 5 % de tolerancia.

VI-B. Medici´ on de tensi´ on y corriente de un circuito en serie y en paralelo con fuente DC

En los cuadros se evidencian los resultados arrojados porel circuito de la figura 1, medido con un osciloscopio y unmultımetro

Elementos Resistencia (k) Corriente (mA) Tension (V)

V1 – 4.98

R1 0.989 1.47 1.458R2 1.977 0.85 1.685

R3 2.158 0.85 1.839

R4 3.004 0.6 1.867

R5 2.664 0.6 1.657

Cuadro VI. RESULTADOS CIRCUITO 1, EMPLEANDO EL MULTIMETRO.

Elementos Resistencia (k) Tension (V)

V1 – 5

R1 0.989 1.6

R2 1.977 1.8

R3 2.158 2

R4 3.004 1.9

R5 2.664 1.9

Cuadro VII. RESULTADOS CIRCUITO 1, EMPLEANDO EL

OSCILOSCOPIO.

Ya que con el osciloscopio no es posible medir directamentela corriente, se analizara la tension teorica y las medidas conel osciloscopio y el multımetro. Con este ultimo equipo lasmediciones son mas exactas por dos razones, la primera esporque su error de medicion podrıa ser estimado a partir de loscertificados de calibracion de equipo y al ser digital pueden sermenores a los de un equipo analogico como el osciloscopio queaunque contara tambien con un error conocido, conlleva otroserrores asociados como por ejemplo el error humano, dejandoesta observacion de lado y concediendo a ambas mediciones

credibilidad para este circuito, segun lo estimado en el cuadro 3se tiene que la mayor diferencia entre lo medido y calculado esde 23 mV absoluto- 1,3 % para las mediciones con multımetroy de 12 % para el osciloscopio, evidenciado que este equipoes menos exacto en laboratorio, no obstante las medicionesde simulacion entregan resultados totalmente equivalentes paramedicion en DC pues como se vera mas adelante con tensionesAC este comportamiento difiere.

Figura 6. Circuito de senal triangular

VI-C. Medici´ on de tensi ´ on y corriente de un circuito en serie y paralelo con generador de se ˜ nales a distintas formas de onda y nivel DC

- Alimentacion senoPara los circuitos de las figuras 2 y 3 se tienen los si-guientes valores con osciloscopio y multımetro de manerateorica: cuadros 8 - 9 y practica: Cuadro 10 - 11 para bajasy altas frecuencias.

Elementos Frecuencia Osciloscopio Multımetro

(Hz) Tensio n ( V) Te ns ion (V)

V1 60 10 10

R1 60 2.32 2.06

R2 60 2.85 2.38

R3 60 2.3 2.61

R4 60 2.25 2.63

R5 60 2.36 2.94

Cuadro VIII. VALORES TEORICOS USANDO EL SIMULADOR , A UNA

FREQUENCIA DE 60 HZ.


(kHz) Tensio n ( V) Te ns ion (V)

V1 100 10 10

R1 100 2.81 2.06

R2 100 3.11 2.38

R3 100 3.5 2.62

R4 100 3.5 2.63

R5 100 3.18 2.36

Cuadro IX. VALORES TEORICOS USANDO EL SIMULADOR, A UNA

FREQUENCIA DE 10 0 K HZ.


(Hz) Tensio n ( V) Te ns ion (V)V1 60 10 10

R1 60 2.2 2.041

R2 60 1.4 2.357

R3 60 1 2.572

R4 60 1.5 2.611

R5 60 0.8 2.3.18

Cuadro X. RESULTADOS DE LAS MEDICIONES DEL CIRCUITO FIG. 2, A

UNA FREQUENCIA DE 6 0 HZ.

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(kHz) Tensio n ( V) Te ns ion (V)

V1 100 1.2 6.37

R1 100 0.4 2.133

R2 100 1.5 2.461

R3 100 1 2.681

R4 100 1.8 2.722

R5 100 0.8 2.411

Cua dro XI. RESULTADOS DE LAS MEDICIONES CIRCUITO FIG 3, A UNA

FREQUENCIA DE 10 0 K HZ.

En la figura 7 se observa que segun la simulacion lasvariaciones entre la medicion multımetro-osciloscopio espequena, no obstante para la medicion real estas diferen-cias pueden ser de consideracion como se evidencia enla medicion sobre R5 a 60 Hz con una tension esperadade 2,36 V y obteniendo 0,8 V con diferencia absolutade 1,5 V mas del 50 % de diferencia ,esto para el casodel osciloscopio pues el multımetro tiene una diferenciade 580 mV absoluto lo cual representa un porcentaje de19 %, se observa una mayor variacion para las medicionescuando la fuente de alimentacion aumenta la frecuenciatal como se aprecia en el R5 a 100 KHz . Si a 60Hz la variacion fue de 1,5 V, esta vez es de 3,0 V lo

cual equivale cinco veces el valor registrado en practica,nuevamente es mas notoria en el osciloscopio que en elmultımetro. Como las variaciones eran tan rapidas en elsimulador se podrıan apreciar valores de mV pero cuandose estabilizaba ligeramente la senal, el valor dominante dela magnitud era en V, por lo cual se tomo como verdaderaen la simulacion, ademas de ser similar a la registrada porel multımetro, no obstante cuando la medicion se realizaen f ısico cada vez se calibra el osciloscopio para la nuevamedicion segun sea mas apreciable y la nitidez permitauna lectura considerada por el observador como correcta.

Figura 7. Simulacion circuito figura 2.

- Alimentacion seno con offsetLa implementacion del circuito de la figura 4 a alta y bajafrecuencia arroja los valores de magnitud registrados enla siguiente tabla:

Elementos Frecuencia Multımetro Frecuencia Multımetro

(kHz) Tension (V) (Hz) Tension (V)

V1 10 1.706 100 1.678

R1 10 0.496 100 0.493

R2 10 0.576 100 0.53

R3 10 0.629 100 0.622

R4 10 0.638 100 0.631

R5 10 0.566 100 2.94

Cuadro XII. RESULTADOS MEDICIONES CIRCUITO FIG. 4, EMPLEANDO

MULTIMETRO, 100 HZ Y 10 KHZ.

Segun lo registrado en el cuadro 12 el cambio de frecuen-cia altera poco el valor de la magnitud, esto es registradocon el multımetro pues no es posible establecer unamedicion confiable con el osciloscopio, aunque permitever con total claridad el offset en simultaneo con lacomponente AC fundamental la forma de onda sinusoidalen su alta frecuencia genera una especie de bloqueo parala magnitud del offset lo cual manifiesta una distorsi onen la forma de onda, en el multımetro, aun pasandode AC a DC el cambio de la magnitud es muy ligero,respecto a la componente fundamental, tiene lugar lacomparacion entre los resultados del cuadro 11 y elcuadro 12, reconociendo que el valor de la amplitud deuna es mitad de la otra, se aprecia similitud entre lasmediciones realizadas con el multımetro , no obstante(ver medicion de 100 KHz) distan la una de la otra, porel movimiento que le da la componente DC al circuito.

- Alimentacion triangular Los resultados obtenidos de laimplementacion circuito figura 5, se consignan en elcuadro 13:

Elementos Frecuencia Multımetro Fr ec ue nc ia M ul tımetro

(kHz) Tension (V) (Hz) Tension (V)

V1 10 1.294 100 1.426

R1 10 0.404 100 0.419

R2 10 0.469 100 0.484

R3 10 0.513 100 0.529

R4 10 0.52 100 0.537

R5 10 0.461 100 0.476Cuadro XIII. RESULTADOS MEDICIONES CIRCUITO FIG . 5, EMPLEANDO

MULTIMETRO, 100 HZ Y 10 KHZ.

En la figura 8 se aprecia la simulacion del circuito de lafigura 5.Como se observa en el cuadro 13, las diferencias entrelas mediciones realizadas con el multımetro para lasfrecuencias de 100 Hz y 10 KHz no son de significativas,pues en ellas se halla una diferencia maxima de 132 mVen la fuente y 17 mV en el elemento resistivo, la mınimadiferencia fue de 15 mV en los elementos resistivos 1, 2y 5, al realizar la comparacion con los valores obtenidos

para el circuito alimentado con una seno + componenteDC, se hace evidente que la diferencia es de maximo 252mV y mınimo de 74 mV, al realizar la misma comparacioncon la fuente sinusoidal pura se hace mas perceptible elcambio de la magnitud (todas estas comparas a maximafrecuencia, en donde suelen ser mas inestables) con unadiferencia absoluta de 1,7 V maximo y mınimo de 647mV.

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Figura 8. Simulacion circuito figura 5.

VII. PREGUNTAS

* ¿Que tanto varıa el valor de resistencia medido expe-rimentalmente con respecto al mencionado por el fa-

bricante?, ¿se encuentra dentro de la tolerancia? R/ta:Los valores de las resistencias estan identificados porun codigo de colores y pueden variar su valor teoricodel experimental de acuerdo al rango de tolerancia, yes precisamente esta tolerancia la que contiene el valorexperimental que muestra la resistencia.

* ¿Que diferencia existe entre los valores de tension ycorriente medidos con un osciloscopio, un multımetro yla teorıa?R/ta: Al trabajar con el osciloscopio y el multımetro sepuede tener la seguridad de contar con datos precisos,sin embargo la forma en la que el osciloscopio ensena lainformacion deja a criterio del experimentador determinarel valor numerico, por lo tanto existe un rango de error

respecto a la medida real, mientras que con el multımetrose muestra una medida mas precisa, en cuanto a los datosesperados por la teorıa es posible que hayan variaciones.

* ¿Que limitaciones tienen los equipos en cuanto a formasde onda y frecuencia en la practica?, ¿concuerda con elfabricante?R/ta: El generador de ondas que usaremos en el labora-torio es de referencia Rigol DG-1022, y de acuerdo aldatasheet de este equipo , su rango para frecuencias esde 100 mHz 20 MHz, por lo que si intentamos medir enfrecuencias fuera de este rango, las mediciones puedenser erroneas, pues son frecuencias o muy bajas o muyaltas[2].

* ¿Que valor entrega el multımetro cuando mide una senal

AC+DC?R/ta: Deberıa medir el valor RMS de la senal, teniendo encuenta que el componente DC la desplaza en el eje Y si laobservamos en el osciloscopio. Depende de la funcion encual estemos midiendo, si medimos en DC mostrara unvalor diferente al medido en AC, no es posible claramentemedir ambas magnitudes simultaneamente.

* ¿Que valor entrega el multımetro cuando mide una senal

triangular?R/ta: El multımetro debe arrojar el valor RMS, siemprey cuando contemos con que el multımetro sea TRUERMS, pues de lo contrario, el valor que arroja solo esel verdadero, si la senal es sinodal pura y tiene unafrecuencia de 60Hz[3].

* Teniendo en cuenta las tolerancias de los elementos¿cual puede ser el error esperado en las mediciones?

R/ta: El error debe ser muy pequeno, considerando el ran-go de exactitud de los elementos dados por el fabricante:Generador: ±5 % + 1 Hz; Multımetro: AC 1.0 %, DC0.09 %.

* ¿En que ocasiones se utilizan los dos canales del osci-loscopio al mismo tiempo?R/ta: Esperamos que los valores obtenidos al emplearuno o dos canales en el osciloscopio no varıen mucho,debido a que dicho elemento esta disenado para serefectivo en ese tipo de casos. Lo que si debemos teneren cuenta, es que los canales comparten la tierra, por loque al momento de realizar mediciones de resistencia,por ejemplo, debemos separar las tierras de los canales;lo que comunmente en la practica se hace, es utilizar un

adaptador de 3 a 2 patas, este es un dispositivo que anulala tierra del osciloscopio.* De acuerdo a la exactitud que ofrece el multımetro ¿cual

es la incertidumbre de cada una de las medidas tomadas?R/ta: La incertidumbre de la medida obtenida con elmultımetro digital, es la mitad del valor mınimo que re-gistra este instrumento. Ası que se espera que el resultadoreal se encuentre en este rango.

VII I. CONCLUSIONES

-Es necesario saber todas la caracteristicas de un instrumentode medicion a la hora de usarlo, para comprobar que sea elmejor indicado.

-Segun la precision que uno desee llegar con un circuito,

es muy impoprtante procurar que la calidad de los dispositvossea la suficiente para que se cumplan las expectativas.

REFERENCIAS

[1] Limas, Miguel, Rojas Juan P, programa general de capacitacion equiposlaboratorio de ensayos electricos Fabio Chaparro,LABE-2012-2, materialprivado.

[2] Datasheet generador de senales. [En lınea]. Disponible en:

http://www.batronix.com/pdf/Rigol/DG1022_DataSheet

Consultado 29 de Agosto de 2015.

[3] Datasheet Multımetro Fluke. [En lınea]. Disponible en:

http://assets.fluke.com/datasheets/2155a.pdf

Consultado 29 de Agosto de 2015.

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