Las principales ideas de tres actores claves planteadas en ...
AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIENCIAS DEL LABORATORIO DE FÍSICA ELÉCTRICA DE...
98
AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIENCIAS DEL LABORATORIO DE FÍSICA ELÉCTRICA DE LA C.U.T.B. -TERNERA OMAR LOZANO VEGA EMILIO ORTEGA FELIPE CORPORACIÓN UNIVERSITARIA TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARTAGENA DE INDIAS, D.T. Y C. 2001
Transcript of AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIENCIAS DEL LABORATORIO DE FÍSICA ELÉCTRICA DE...
AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIENCIAS DEL LABORATORIO DE FÍSICA
ELÉCTRICA DE LA C.U.T.B. -TERNERA
OMAR LOZANO VEGA
EMILIO ORTEGA FELIPE
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARTAGENA DE INDIAS, D.T. Y C.
2001
AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIENCIAS DEL LABORATORIO DE FÍSICA
ELÉCTRICA DE LA C.U.T.B. -TERNERA
OMAR LOZANO
EMILIO ORTEGA
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de Ingenieros Electricistas.
Director JORGE DUQUE
Ingeniero Electricista
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARTAGENA DE INDIAS, D.T. Y C.
2001
Cartagena, 17 de Julio de 2000
Señores
COMITÉ DE PROYECTOS DE GRADO
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR
La ciudad.
Distinguidos señores :
Por medio de la presente me permito comunicarles que el proyecto titulado
"AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIENCIAS DEL LABORATORIO DE FÍSICA
ELÉCTRICA DE LA C.U.T.B. - TERNERA" ha sido desarrollado de acuerdo con
los objetivos establecidos.
Como director considero que el trabajo es satisfactorio y cumple con todos los
requerimientos necesarios para ser presentado pos sus autores para su
evaluación. Por tal motivo hago entrega formal del proyecto.
Cordialmente,
_____________________________
Ing. Jorge Duque
Director del proyecto
Cartagena, 17 de Julio de 2000
Señores
COMITÉ DE PROYECTOS DE GRADO
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR
La ciudad.
Distinguidos señores :
La presente tiene como objetivo presentar a su consideración para estudio y
aprobación, el proyecto titulado "AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIENCIAS DEL
LABORATORIO DE FÍSICA ELÉCTRICA DE LA C.U.T.B. - TERNERA", como
requisito para optar el título de Ingeniero Electricista.
Cordialmente,
_____________________________
Omar Lozano Vega
Cartagena, 17 de Julio de 2000
Señores
COMITÉ DE PROYECTOS DE GRADO
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR
La ciudad.
Distinguidos señores :
La presente tiene como objetivo presentar a su consideración para estudio y
aprobación, el proyecto titulado "AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIENCIAS DEL
LABORATORIO DE FÍSICA ELÉCTRICA DE LA C.U.T.B. - TERNERA", como
requisito para optar el título de Ingeniero Electricista.
Cordialmente,
_____________________________
Emilio Ortega Felipe
Nota de aceptación
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
Presidente del Jurado
______________________________
Jurado
______________________________
Jurado
Ciudad y fecha ( día, mes, año ) : ________________________
DEDICATORIA
A Dios por ser mi guía y mi consejero, por darme fuerzas y valor para salir
adelante en los momentos más difíciles de mi vida y de mi carrera.
A mi madre Josefina por apoyarme incondicionalmente a través de toda mi
carrera.
A mi padre Liberato por ofrecerme su ayuda económica para el buen desarrollo de
este proyecto y de mi carrera en general.
A Erika por apoyarme y estar a mi lado en los momentos difíciles brindándome su
cariño y comprensión.
A mi cuñado Geobanny por apoyarme económicamente, por sus consejos y apoyo
emocional para que se me dieran mis metas.
Emilio Ortega
DEDICATORIA
No quiero finalizar sin antes agradecer a todas las personas que con un caracter
noble se han preocupado por enseñarme algo.
Quiero dedicar este logro a mis padres que no sólo confían y creen en mí, sino
que también me han soportado.
Omar Lozano Vega
AGRADECIMIENTOS
Los autores del proyecto desean agradecer a las siguientes personas su valiosa
colaboración en el desarrollo del mismo :
Jorge Duque. Ingeniero Electricista. Director de este proyecto.
Oscar Acuña. Ingeniero Electricista. Decano de la facultad de Ingeniería Eléctrica
y Electrónica de la C.U.T.B.
Jonny Torres. Auxiliar de Laboratorio de Física Eléctrica.
Luis Ríos. Ingeniero Electricista. TRANSELCA, Barranquilla.
David Senior. Ingeniero Electrónico.
Rafael Medina. Ingeniero Electrónico. Docente C.U.T.B. - Cartagena.
Artículo 105 del reglamento Académico
“La Corporación se reserva el derecho de propiedad intelectual de todos los
trabajos de grado aprobados, los cuales no pueden ser explotados
comercialmente sin su autorización ”.
ANEXOS
GUÍAS DE LABORATORIO
RESUMEN
Este proyecto comprende la automatización de seis experiencias del laboratorio de
Física Eléctrica, a través de un sistema de adquisición de datos asistido por
computador.
De estas seis experiencias, se implementaron tres nuevas, adicionales a las ya
existentes en el laboratorio; las otras tres están desarrolladas en las guías, sólo se
le hicieron pequeños cambios al momento de automatizarlas.
Las tres prácticas nuevas a tratar en este proyecto son las siguientes:
• Filtros RC: Se diseñaron seis configuraciones diferentes de filtros, de las
cuales cuatro son filtros activos y dos filtros pasivos.
El diseño de los filtros activos comprende los pasabajos, pasaaltos,
pasabanndas y supresor de bandas; todos estos se diseñaron para
determinados rangos de frecuencia de corte.
Estos filtros fueron diseñados basados en el amplificador LM-301.
El diseño de los filtros pasivos comprende solo los filtros pasabajos y pasaaltos,
y fueron diseñados para una frecuencia de corte de 50Hz.
• Circuitos AC: En esta experiencia se desarrollan cuatro configuraciones
diferentes de circuitos AC. Estas configuraciones son: circuito RLC serie,
circuito RLC paralelo, circuito RLC serie-paralelo y circuito RLC serie-paralelo.
En todos estos montajes intervienen resistencias, inductancias y
condensadores.
• Estudio de los parámetros característicos de componentes electrónicos en
función de la temperatura: En esta práctica se diseñó una tarjeta electrónica
que posee los siguientes componentes : Resistencia de lamina de carbón,
resistencia de película metálica TK-50, resistencia PTC, resistencia NTC, diodo
de silicio, diodo de germanio, diodo zener de2.7v y diodo zener de 6.8v.
Este impreso se sumerge en agua dentro de una refractaria, de esta forma se
analiza el comportamiento de cada uno de los elementos mencionados ante
pequeños incrementos de temperatura.
También se diseñó un amplificador capaz de elevar la señal de salida del
sensor de temperatura, para luego llevarla a una de las entradas análogas de la
tarjeta de adquisición de datos.
Las tres prácticas planteadas en las guías de laboratorio, y automatizadas en este
proyecto, son :
• Carga y descarga del condensador :La guía original está diseñada para un solo
condensador, esta práctica se implementa de tal forma que se pueden observar
las curvas de carga y descarga de cuatro condensadores simultáneamente.
Esta experiencia está diseñada con cuatro condensadores con sus respectivas
resistencias de carga; adicionalmente, se sustituyó el interruptor de doble tiro,
por un circuito que acciona un relé de contactos normalmente abiertos y
cerrados, tomando el contacto normalmente abierto para efectuar la carga y el
normalmente cerrado para la descarga de los condensadores. El relé se
acciona por una señal de 5V DC que proviene de una de las salidas digitales de
la tarjeta de adquisición.
• Inducción magnética : El montaje de esta experiencia permanece igual al
original. La diferencia radica en la forma de adquisición de los datos, ya que
ésta se realiza en forma automática.
El montaje consiste en una bobina de campo, una de inducción, un generador
de señales y el sistema de adquisición de datos con su respectivo programa.
• Superficies equipotenciales : Se diseñaron cuatro configuraciones de
electrodos que son :
- Electrodos circulares
- Electrodos planos
- Electrodos puntuales
- Electrodos planos - puntuales
El diseño se basó en el concepto original de la práctica descrita en la guía de
laboratorio.
Debido a que la herramienta principal de trabajo en esta experiencia es el
computador, se reemplazó el agua y los electrodos metálicos por papel resistivo
y electrodos hechos con lápiz de mina de plata, respectivamente.
Además, se diseñó un sistema de guías con caja de madera para el
desplazamiento del electrodo de prueba, representado por una entrada análoga
de la tarjeta.
Con el fin de lograr el correcto funcionamiento de cada una de las experiencias, se
construyeron unos módulos con los componentes necesarios para cada montaje a
realizar.
Para el montaje de las prácticas de carga y descarga y filtros RC, se crearon
módulos de resistencias y condensadores. En algunas experiencias, tales como
inducción magnética y circuitos AC, no se hizo necesario diseñar y crear módulos
con los elementos de las prácticas, debido a que los elementos necesarios los
suministra el laboratorio de física de la institución.
La etapa de adquisición de datos se implementa con una tarjeta de adquisición de
National Instruments y el software Labview. Para proteger la tarjeta de entradas y
salidas del sistema, se creó un módulo que contiene los bornes de entradas,
salidas y alimentación, necesarios para las experiencias. Este módulo es el
módulo principal y se conecta directamente al computador.
Para cada una de las prácticas se desarrollaron programas en Labview; estos
programas implementan la instrumentación virtual del proyecto.
INTRODUCCIÓN
Antes de describir cada una de las experiencias automatizadas, se hablará un
poco acerca de la forma como los estudiantes realizan la adquisición de los datos.
Las prácticas desarrolladas en el Laboratorio de Física Eléctrica se realizan en
forma manual; en donde los estudiantes, después de tener el montaje de la
práctica a realizar, proceden a tomar las mediciones a través de aparatos digitales
y análogos, tales como : Multímetros, voltímetros, amperímetros y cronómetros.
Esta forma de obtener los datos genera errores en el momento de tomar los datos.
Un caso muy común de estos errores es la visualización simultánea de dos
variables, por ejemplo, voltaje y tiempo. Además, las prácticas muchas veces son
tediosas y monótonas, debido a la gran cantidad de datos que se deben obtener.
Cabe destacar que en los últimos años, muchos científicos e ingenieros están
usando los computadores personales con buses de expansión o interfaces de
entradas / salidas como sistema de adquisición de datos y control en aplicaciones
industriales y de laboratorio, entre las que se encuentran : Monitoreo de señales,
control de procesos, adquisición de datos, mediciones y pruebas automatizadas.
Inicialmente se automatizarán seis experiencias para el laboratorio de física
eléctrica, en donde los estudiantes dispondrán de una moderna tarjeta de
adquisición datos, así como de un completo sistema de adquisición basado en el
software Labview, haciendo uso del computador como herramienta principal.
De estas seis experiencias a automatizar, tres ya están implementadas en el
laboratorio, que son : Carga y descarga del condensador, inducción magnética y
superficies equipotenciales.
Las tres experiencias restantes, son nuevas para el laboratorio. Estas tres
prácticas son : Filtros RC, circuitos AC y estudio de parámetros característicos de
componentes electrónicos en función de la temperatura.
Se seleccionaron estas prácticas, porque son las que más se ajustan a la
aplicación y funcionalidad de la tarjeta de adquisición, es decir, en cada una de
éstas se tiene una manera diferente de realizar la adquisición de los datos. Esto
no quiere decir que no se puedan automatizar las experiencias restantes del
laboratorio.
Con este proyecto, se desea iniciar el proceso de automatización de los
laboratorios de la institución. se desea que en un futuro puedan automatizarse
varias prácticas de los laboratorios de instrumentación, circuitos y otros que no
sean del área eléctrica o electrónica. De esta forma, se contará con una valiosa
herramienta que complemente el proceso de enseñanza - aprendizaje,
incentivando a los estudiantes a la investigación y desarrollo de sus
conocimientos.
CONCLUSIONES
Con la finalización total de este proyecto se cuenta con un equipo de laboratorio
valioso, con el cual se han automatizado seis experiencias claves para la
comprensión de los principios eléctricos por parte de los estudiantes de
ingenierías.
La automatización de estas prácticas logra en gran parte incrementar la eficiencia
de los estudiantes en la realización de las mismas, al reducirle el tiempo de toma
de datos y ampliarles muy significativamente el tiempo asignado para el análisis e
interpretación de los resultados.
De las seis experiencias automatizadas, tres ya estaban implementadas
anteriormente en la asignatura Laboratorio de Física Eléctrica. Éstas se realizaban
de una forma ineficiente, exigiendo gran destreza en el manejo de los
instrumentos de medida, empleando mucho tiempo en la lectura y organización de
los datos y muchas veces incurriendo en errores de visualización por parte de los
estudiantes.
Las tres experiencias que ya estaban implementadas en la asignatura ( Carga y
descarga del condensador, Superficies equipotenciales e Inducción magnética )
han quedado completamente automatizadas, conservando, sin embargo, sus
principios teóricos y su desarrollo experimental.
Se agregaron tres nuevas experiencias totalmente automatizadas ( Filtros RC,
Circuitos AC y Estudio de parámetros característicos de componentes electrónicos
en función de la temperatura ), las cuales apoyan aún más el proceso de
enseñanza - aprendizaje de los estudiantes, introduciendo conceptos nuevos y
ampliándoles el conocimiento de los principios eléctricos a temas un poco más
avanzados.
Para la realización de este proyecto se hizo necesario el uso de un sistema de
adquisición de datos ( DAQ ) basado en el software LABVIEW y el empleo de
herramientas computacionales como MATLAB y EXCEL, con los cuales se logra
emplear a nivel experimental tecnología de punta en proyectos de automatización
y control, y de esta forma ponerla a disposición de los estudiantes y de toda la
comunidad académica de una manera sencilla y didáctica
Cada experiencia ha sido documentada con una guía cuidadosamente diseñada,
en la cual se explican los objetivos, el procedimiento a seguir y el análisis e
interpretación de los resultados obtenidos. Además, se elaboraron las
correspondientes guías de manejo para los programas desarrollados en LABVIEW
de cada una de las experiencias.
Finalizado este proyecto se da un incentivo a la comunidad estudiantil para
realizar futuros proyectos encaminados a la automatización, control e
instrumentación en pos de mejorar la calidad de los laboratorios de la institución y
de dar soluciones no solo a problemas experimentales o didácticos, sino a
problemas complejos de tipo industrial.
Se busca que en un futuro se puedan automatizar la totalidad de las practicas
restantes en este laboratorio y agregar nuevas experiencias. Además, sería de
gran ayuda automatizar diversas experiencias de otros laboratorios existentes en
la universidad, no sólo de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.
Finalmente, estamos satisfechos con el trabajo realizado, debido a la gran
cantidad de nuevos conocimientos adquiridos durante su desarrollo y de entregar
a la Institución una herramienta muy útil para la enseñanza, que la coloca a la
vanguardia en la utilización de recursos tecnológicos y elaboración de proyectos
de automatización.
BIBLIOGRAFÍA
• COUGHLIN ROBERT, DRISCOLL FREDERICK. Circuitos Integrados Lineales y Amplificadores Operacionales. 2 ed. México. Editorial Prentice Hall. 1987.
• FLOYD TOMAS. Dispositivos Electrónicos. Limusa ( Noriega Editores ).
Páginas 806 - 830. • Guías de Laboratorio de Física Eléctrica C.U.T.B.
• PALLAS ARENY RAMON. Sensores y acondicionadores de señal. 2ed.
Barcelona. Editorial Marcombo. 1994. Páginas 69 - 83.
• PHYWE. Física Catálogo 3.24. 1998. Páginas 282- 285
• PHYWE, Laboratory Experiments Physics. 1998
• SERWAY RAYMOND. Física Tomo II. 3ed. México. Editorial Mc Graw Hill. 1994. Paginas 947 - 950.
CONTENIDO Pag.
INTRODUCCIÓN
1. DESCRIPCIÓN DE LAS EXPERIENCIAS A REALIZAR 8
1.1 CARGA Y DESCARGA DEL CONDENSADOR 8
1.2 FILTROS RC 9
1.3 CIRCUITOS AC 11
1.4 INDUCCIÓN MAGNÉTICA 13
1.5 ESTUDIO DE LOS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE COMPONENTES EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA
14
1.6. SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES 15
2. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE LABVIEW 17
3. DESCRIPCIÓN DE LA TARJETA 23
4. EQUIPOS UTILIZADOS 25
5. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL 27
5.1 CIRCUITO DE ACTIVACIÓN DEL RELÉ 27
5.2 FUENTE REGULADA 28
5.3 FUENTES DE CORRIENTE 29
5.4. AMPLIFICADOR PARA EL SENSOR DE TEMPERATURA 31
6. MEMORIA DE CÁLCULOS 33
6.1 FILTROS ACTIVOS Y PASIVOS 33
6.1.1 Filtro Pasabajos 33
6.1.2 Filtro pasa altos 35
6.1.3 Filtro pasabanda 37
6.1.4 Filtro supresor de banda 39
6.1.5 Filtros pasivos 41
6.2 MÓDULOS 42
6.2.1 Módulo de Condensadores 42
6.2.2 Módulo de Resistencias 43
6.2.3 Módulo de Nodos 44
6.2.4 Módulo de Interruptores 45
6.2.5 Módulo de Amplificadores Operacionales 45
6.2.6 Módulo Principal 46
7. INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL 48
8. RESULTADOS 69
CONCLUSIONES 75
BIBLIOGRAFÍA 78
ANEXOS 79
LISTA DE FIGURAS Pag.
Figura 1. Montaje de carga y descarga del condensador 8
Figura 2. Filtros activos 10
Figura 3. Filtros pasivos 11 Figura 4. Circuitos AC 12
Figura 5. Montaje para inducción magnética 13
Figura 6. Componentes electrónicos 15
Figura 7. Montaje de superficies equipotenciales 16
Figura 8. Panel frontal del LabView 17
Figura 9. Barras de herramientas y de controles 18
Figura 10. Diagrama de bloques de LabView 20
Figura 11. Barra de herramientas y funciones del diagrama de bloques 20
Figura 12. Control creado en el panel frontal 21
Figura 13. Control creado visto desde el diagrama de bloques 22
Figura 14. Circuito de activación del relé 27
Figura 15. Fuente de voltaje regulada 28
Figura 16. Fuente de corriente regulada 29
Figura 17. Amplificador para el sensor de temperatura 31
Figura 18. Filtro pasabajos 33
Figura 19. Respuesta en frecuencia del filtro pasabajos 34
Figura 20. Filtro pasa altos 35
Figura 21. Respuesta en frecuencia del filtro pasa altos 36
Figura 22. Filtro pasabanda 37
Figura 23. Respuesta en frecuencia de un filtro pasa banda 39
Figura 24. Filtro supresor de banda 39 Figura 25. Respuesta en frecuencia de un filtro supresor de banda 41
Figura 26. Filtros pasivos pasabajos y pasaaltos 42
Figura 27. Módulo de Condensadores 43
Figura 28. Módulo de Resistencias 44
Figura 29. Módulo de Nodos 44
Figura 30. Módulo de
Interruptores
45
Figura 31. Módulo de Amplificadores Operacionales 46
Figura 32. Módulo Principal 47
1. DESCRIPCIÓN DE LAS EXPERIENCIAS A REALIZAR
1.1 CARGA Y DESCARGA DEL CONDENSADOR
Se analizará el comportamiento del voltaje durante el proceso de carga y descarga de varios
condensadores simultáneamente. Se tiene la posibilidad de variar el voltaje de carga, combinando
diferentes valores de resistencias y condensadores que van a ser sometidos al respectivo proceso.
Se determinará la influencia de la constante de tiempo en la dinámica del circuito RC.
La toma de los datos de voltajes se hará mediante un sistema de adquisición de datos asistido por
computador, en el cual se visualizará todo el proceso de carga y descarga ( curva característica )
para su posterior análisis.
El montaje a realizar se muestra en la figura 1.
En la figura 1 se observan cuatro condensadores con sus respectivas resistencias de carga,
conectados simultáneamente a una fuente de voltaje de DC variable por medio de un interruptor de
doble tiro ; además, se observa una resistencia común conectada también al mismo interruptor,
que cumple con la función de descarga para los cuatro condensadores.
Se sustituirá el interruptor de doble tiro por los contactos normalmente abierto y normalmente
cerrado de un relé accionado por la salida digital de la tarjeta de adquisición de datos.
Entradas al sistema de
adquisición de datos
+
C1
+
C2
+
C3
S
+
C4
+
-
R1R2R3
R5
R4
Figura 1. Montaje de carga y descarga del condensador
El relé se energizará cuando se ponga a correr la prueba y a su vez se activarán los dos contactos
( abierto y cerrado). En esta prueba no se hará acondicionamiento de señal, ya que los datos a leer
son voltajes.
Ver guía número 1.
1.2 FILTROS RC
En esta práctica se analizará el comportamiento de los diferentes filtros activos y dos filtros
pasivos, para determinados rangos de frecuencia de corte ; entre los filtros que se van a analizar
están los filtros pasabajos, pasaaltos, pasabandas y supresor de bandas.
La práctica se llevará a cabo con el montaje de cuatro filtros activos dos pasivos, como se muestra
en las figuras 2 y 3.
Ei301
Ei301
301Ei Ei
301
a).Filtro pasaaltos b). Filtro pasa bajos
c). Filtro pasa banda d). Filtro supresor de banda
+
30pF
74
18
2
36
+C1
-V+V
1.0 kHz
+C2
+C1
-V
+V
1.0 kHz
+ 150pF
+C2
1
74
2
36
-V+V
1.0 kHz
+
30pF
+
C
74
18
2
36
-V+V
1.0 kHz
+
30pF
+C
74
18
2
36
Ra
Rb
R1
R2
R3
R1
R2
R
Rf
R
Rf
Como se observa en la figura 2., los filtros activos están compuestos de elementos activos como
son los amplificadores operacionales, mientras que los pasivos ( figura 3 ) están compuestos por
resistencias y condensadores .
Se llevará a cabo un análisis de la frecuencia de corte de los filtros activos y pasivos.
Los cuatro filtros activos a montarse son los mencionados anteriormente.
Al igual que la práctica anterior, la adquisición de estos datos se harán mediante un sistema de
adquisición de datos asistido por computador, cuya base es el software LabView.
Ver guía número 2.
1.3 CIRCUITOS AC
En esta práctica se estudiará el comportamiento de los circuitos RL. RC y RLC en corriente alterna,
como se muestra en la figura 4.
Vi
Vo
b). Filtro pasivo pasaaltosa). Filtro pasivo pasabajos
Vi
Vo1.0 kHz
R
+C
1.0 kHz
R+
C
Figura 3. Filtros pasivos
Se analizará el comportamiento del voltaje y la corriente en los diferentes elementos que
componen cada uno de estos montajes como son resistencias, inductancias y condensadores. Se
analizará el desfase y magnitud que existe entre el voltaje y la corriente para cada uno de los
elementos mencionados ( resistencias, inductores y condensadores ). También se analizará
la variación de la magnitud del voltaje y la corriente.
Se observará cómo varía el voltaje alterno aplicado al circuito con respecto al voltaje de cada uno de los
elementos que lo componen.
Para el caso de una resistencia se sabe que el voltaje y la corriente están en fase, es decir, que el
ángulo que forma el voltaje y la corriente es 0º.
Para la inductancia hay un desfase de 90º entre el voltaje y la corriente, es decir, que el ángulo que
forman el voltaje y la corriente es de 90º, encontrándose adelantado el voltaje con respecto a la
corriente.
Y por último, para el condensador hay el mismo desfase que en el inductor, pero la diferencia
radica en que ahora la corriente se encuentra adelantada con respecto al voltaje.
d). Circuito RLC serie - paralelob). Circuito RLC paralelo
EiEi
Ei
c). Circuito RLC serie - paraleloa). Circuito RLC serie
Ei
+
C
L+
CL
+
CL
+CL
RR
RR
Figura 4. Circuitos AC
En esta práctica no se hará acondicionamiento de señal, ya que la conversión de la corriente se
llevará a cabo por medio de un transformador de corriente de relación 1 : 1.
Ver guía número tres.
1.4 INDUCCIÓN MAGNÉTICA
Esta prueba se llevará a cabo como muestra la figura 5.
En esta experiencia se considerará la variación de tres parámetros. Primero se tomarán los valores de voltaje inducido variando la corriente primaria ( corriente
en la bobina inductora ).
Segundo se tomarán los valores de voltaje inducido variando la frecuencia.
Tercero se tomarán los valores de voltaje inducido variando el número de espiras de la bobina
inducida.
Después de haber tomado los respectivos datos se comprobará experimentalmente la inducción
magnética de un solenoide expuesto a un campo magnético variable, como también determinar el
voltaje inducido en un solenoide como función de la frecuencia, número de vueltas, diámetro y la
intensidad de campo magnético.
Ver guía número cuatro.
1-10KHz
mA
Bobina de campo
Bobina de inducción
CH0
GND1
Figura 5. Montaje para inducción magnética
1.5 ESTUDIO DE LOS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE COMPONENTES
ELECTRÓNICOS EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA
En esta práctica se construirá un módulo compuesto por los siguientes elementos electrónicos :
resistencia de lámina de carbón, resistencia de película metálica TK-50, resistencia PTC (
coeficiente térmico positivo ), resistencia NTC ( coeficiente térmico negativo ), diodo de
germanio, diodo de silicio, diodo zener de 2.7 V y diodo zener de 6.8V como se muestra en la
figura 6.
El módulo se sumergirá en un recipiente de vidrio " refractaria ", en cual se colocará un líquido que
será sometido a incrementos de temperatura por medio de un calefactor. Una vez haya sido
sumergido el módulo en el recipiente, se le aplicará una corriente diferente a cada una de las
cuatro resistencias ( resistencia de lámina de carbón, resistencia de película metálica TK-50,
resistencia PTC y resistencia NTC ), para luego proceder a tomar los datos referentes a la
variación de resistencia contra temperatura. De igual forma se procederá a tomar los datos de
voltaje contra temperatura de los diodos ( diodo de germanio, diodo de silicio, y los diodos zener de
2.7V y de 6.8V).
Ver guía número cinco.
1.6. SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES
Se emplearán cuatro configuraciones de electrodos: electrodos circulares, planos, puntuales y
electrodos plano y puntual, como se muestra en la figura 7.
Diodo Zener 6.8 V
Diodo Zener 2.7 V
Diodo de silicio
Diodo de germanio
Resistencia NTC
Resistencia PTC
Resistencia de película metálica TK-50
Resistencia de lámina de carbón
Figura 6. Componentes electrónicos
Debido a que se utilizará el computador como herramienta de trabajo, se reemplazará el agua por
un papel resistivo y los electrodos circulares, planos y puntuales por un lápiz de mina de plata, con
el cual se dibujaran la forma de los electrodos antes mencionados en el papel resistivo. Se
diseñará un dispositivo encargado de desplazarse por todo el papel y a la vez tomar todos los
datos necesarios para luego realizar el mapeo de las superficies equipotenciales de las cuatro
configuraciones de electrodos anteriormente mostradas. Además, se analizará el comportamiento
del campo y del potencial eléctrico para las cuatro configuraciones de electrodos. Ver guía número
6.
2. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE LABVIEW
V
V
V
V
V
V
V
V
a). Electrodos circulares b). Electrodos planos
c). Electrodos puntuales d). Electrodos plano y puntual
Figura 7. Montaje de superficies equipotenciales
LabView es un sistema de programación general, desarrollado bajo un lenguaje de programación
visual, que cuenta con grandes librerías y funciones para cualquier tarea de programación. Incluye
librerías para adquisición de datos, GPIB e instrumentos seriales de control, análisis de datos,
presentación de datos y almacenamiento de datos.
Los programas en LabView son llamados instrumentos virtuales ( VIs ), ya que pueden simular la operación
de instrumentos reales.
El LabView es una herramienta que permite la automatización de procesos o pruebas de laboratorio a través
de una tarjeta de adquisición de datos ( DAQ ). Está compuesto por un panel frontal y un diagrama de
bloques.
El panel frontal ( figura 8 ) dispone de una librería de controles e indicadores de todo tipo y la
posibilidad de crear más diseñados por el mismo usuario. El panel frontal es el encargado de
visualizar los dispositivos encargados de controlar el proceso, como son interruptores, monitores o
displays.
Figura 8. Panel frontal del LabView
En él se tienen como herramientas de trabajo la barra de herramientas y la barra de controles (
figura 9. ).
La barra de herramientas es con la cual se llevan a cabo funciones específicas de edición o
ejecución, tales como las siguientes :
• Valor operativo : Se utiliza cuando se quiere correr el programa o modificar el valor de algún
dispositivo de control.
• Situación / Tamaño / Selección : Este se utiliza para borrar algún dispositivo de control o
correrlo de un lado a otro, inclusive los monitores.
• Edición de texto : Se utiliza para crear textos para los diferentes dispositivos que se encuentran
en el panel frontal.
• Conexión de cables : Se utiliza para interconectar un instrumento virtual con otro.
• Desplazamiento de la pantalla : Desplaza la pantalla en la dirección que se desee para ver
posibles zonas ocultas.
• Establecer / Quitar puntos de ruptura : Permite poner tantos puntos de ruptura como se deseen
a lo largo del diagrama de bloques.
Figura 9. Barras
La barra de controles se utiliza para establecer los tipos, formas y clases de dispositivos de control,
monitores, indicadores, etc. que se van a utilizar de acuerdo con la aplicación.
En el diagrama de bloques ( figura 10 ) es donde se lleva a cabo lo concerniente a la parte de
programación, es decir, donde se crean todos los programas y subprogramas necesarios para
llevar a cabo el control de un proceso.
En el diagrama de bloques, al igual que en el panel frontal, se tiene como herramienta de trabajo la
barra de herramientas con la misma función que en el panel frontal y la barra de funciones ( figura
11 ).
En la barra de funciones de dispone de toda la ayuda y herramientas necesarias para llevar a cabo
cualquier programación, como son : estructuras, compuertas lógicas, sumadores, multiplicadores,
arreglos, matrices, etc.
Figura 10.
Cuando un control es "pegado" desde la librería en el panel frontal ( figura 12 ), se
acaba de crear una variable cuyos valores vendrán determinados por lo que el
usuario ajuste desde el panel ; inmediatamente, aparece un terminal en la ventana
de programación ( diagrama de bloques ) representándolo ( figura 13 ). El nivel de
programación del VI consistirá en conectar estos terminales a bloques funcionales
( por ejemplo un comparador ), hasta obtener el resultado que se desee visualizar,
por ejemplo un led de alarma. Los bloques funcionales son iconos con entradas y
salidas que se conectan entre sí mediante cables ficticios por donde fluyen los
datos, constituyendo el nivel de programación del VI.
Se puede comparar la ventana de programación con una placa de circuito impreso, donde los
terminales del panel frontal se cablean a bloques funcionales ( circuito integrado ) que se
interconectan para generar los datos que se desean visualizar. A su vez, estos circuitos integrados
Figura 12. Control creado en el
contienen bloques circuitales conectados entre sí, al igual que un icono está formado por la
interconexión de otros iconos. La programación gráfica permite diseñar un VI de manera intuitiva,
vertiendo las ideas directamente a un diagrama de bloques, como se haría sobre una pizarra.
Para la instalación del LabView se requiere que el computador tenga Windows 95 o Windows 98. Además, se requiere de una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) con múltiples canales análogos y digitales.
Para mayor información referente a las clases de tarjetas de las cuales se disponen en el mercado
y sus principales características ver los manuales de la tarjeta y del LabView.
3. DESCRIPCIÓN DE LA TARJETA
Se seleccionará una tarjeta AT - M10 - 16E - 10 cuyas especificaciones más importantes son :
• Entrada análoga
- Número de canales : 16 simples ó 8 diferenciales, dependiendo de la programación de la
tarjeta.
- Resolución : 12 bits, 1 en 4,096.
Figura 13. Control creado visto desde el diagrama de bloques
- Máxima rata de muestreo : 100 KSamples / seg. garantizada.
- Impedancia de entrada / salida : 10 Gohmio en paralelo con 50 pF.
- Protección ( voltios ) on / off : 35 / 25
• Salida análoga
- Número de canales : 2 de voltaje.
- Resolución : 12 bits, 1 en 4,096.
- Máxima rata de muestreo : 100 KSamples / seg.
• Entrada / Salida digital
- Número de canales : 8 entradas o salidas.
- Rango de voltaje de salida : ± 10 V ó 0 a 10 V., dependiendo de la programación de la tarjeta.
Se seleccionó esta tarjeta por la ventaja que suministra ante otras de sus 16 canales simples ó 8
canales diferenciales en pruebas que requieren la utilización simultánea de muchos canales ; como
es el caso de la prueba de los parámetros característicos de componentes electrónicos en función
de la temperatura, en donde se utilizarán 9 canales simples análogos. Además, presenta una rata
de muestreo bastante grande, que la lleva a ser muy eficiente al momento de muestrear
frecuencias por el orden de 5 KHz.
Para mayor información referente a la tarjeta dirigirse al manual de la misma.
4. EQUIPOS UTILIZADOS
• Computador personal con las siguientes características :
- Procesador Pentium de 233 MHz
- Unidad de CD - ROM
- Disco duro de 2.38 GB
- Memoria RAM de 64 MB
• Fuente regulada de 0 - 20 VDC, 1 Amp.
• Generador de señales TOPWARD 8102.
• Bobina inductora de 75 cms y n =534 espiras / m.
• Bobina de inducción de :
300 Vueltas, diámetro 63 mm
300 Vueltas, diámetro 43 mm
100 Vueltas, diámetro 63 mm
• Fuente de poder DC JD - 07 dual de 0 - 26 V, 3 Amp.
• Software LabView Versión 5.1
• Tarjeta de adquisición de datos ( DAQ ) AT - M10 - 16E - 10 ( ver manual de la tarjeta )
• Bobina LEYBOLD 562 14 de las siguientes especificaciones : n = 500, ca 2.5 Ω, L = 0.011
H, Imax = 2.5 A.
• Bobina LEYBOLD 562 13 de las siguientes especificaciones : n = 250, ca 0.6 Ω, L = 0.027 H,
Imax = 5 A.
• Condensadores de A.C. de 25 uF a 330 V y 3.5 uF a 220 V.
• Resistencias de 1W - 10 W
5. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
5.1 CIRCUITO DE ACTIVACIÓN DEL RELÉ
El relé se activará por medio del siguiente circuito :
5 V
1N 4004 RELÉ
2.2 MΩ
1 KΩ
2N 2222 Salida digital de la tarjeta
Esta configuración se utiliza con el fin de proteger la tarjeta, debido a que la corriente que circula
por el relé es mayor que la corriente que puede soportar la tarjeta. El circuito presentado se
utilizará para la práctica de carga y descarga del condensador.
El funcionamiento es el siguiente :
Cuando aparece un voltaje de aproximadamente 5V en la entrada de la resistencia de 1KΩ en la
base del transistor, éste entra en saturación, lo cual hace que circule corriente por el relé,
activándose el mismo. Cuando no aparece voltaje en la base del transistor, simplemente éste está
en corte y no hay corriente a través del relé, por lo cual se encuentra inactivo. El diodo en
antiparalelo se coloca con el fin de proteger al relé de los transitorios producidos durante el
momento de la conmutación del mismo.
5.2 FUENTE REGULADA
Se diseñó una fuente regulada como muestra la figura 15.
Se tomó C1 = 2200 uF, C2 = C3 = 0.1 uF
Se calculó el voltaje de rizo :
15V
12V
AC
16.9VDC
0-15 VDC
Isal = 300 mA
B1
+
C2
+
C3
RV1
R1
+
C1
T1Q1
Figura 15. Fuente de voltaje regulada
V041.0uF2200Hz60
mA300
Cf
IVriz =
×=
×=
El voltaje en el extremo de R1 es el voltaje de salida de 15 V.
VR1 = 16.9 - 15V ⇒ VR1 = 1.9V
R1 = VR1 / IB = 1.9 / IB
El transistor Q1 es el TIP 112 con β = 1000
IB = IC / β ; IC ≅ IE e IE = 300 mA = Isal
IB = 300mA / 1000 = 0.33 mA
R1 = 1.9V / 0.33 mA = 5.75 KΩ ≅ 5.6 KΩ
RV1 = 15 V / 0.33 mA = 45 KΩ ≅ 50 KΩ
Esta fuente se diseñó para alimentar el circuito de activación del relé de la prueba de carga y
descarga del condensador.
5.3 FUENTES DE CORRIENTE
Se diseñaron estas fuentes con el LM - 317 como se muestra en la figura 16. En el diseño se tuvo
en cuenta la resistencia de cada uno de los elementos a los cuales se les aplicará corriente .
Esto se hizo con el fin de proteger la tarjeta, para no someterla a voltajes por encima de los 10
Voltios, que es lo máximo que soporta.
Se llevaron a cabo los cálculos para cada uno de estos elementos.
• Resistencia de lámina de carbón de 10 KΩ
V = IR , I = V / R = 10V / 1000Ω = 0.01 A = 10 mA
LM 317 1
2
3
Ajustable
mA
Entrada
+
-
5V
Salida
Figura 16.
Para obtener este valor de corriente en el LM - 317 se necesitó una resistencia de 122 Ω, la
cual se implementó con un potenciómetro ajustable.
• Resistencia TK-50 de 570 Ω
I = V / R = 10V / 570Ω = 0.017 A = 17 mA
Se obtuvo una resistencia de 75 Ω.
• Resistencia NTC de 1.1 KΩ
I = V / R = 10V / 1100Ω = 9.1 mA
Se obtuvo una resistencia de 132 Ω.
• Resistencia PTC de 76Ω
I = V / R = 10V / 76Ω = 130 mA
Se obtuvo una resistencia de 26 Ω.
Se diseñaron cuatro fuentes de corriente con el fin de alimentar cuatro resistencias,
independientemente una de otra, en la práctica de estudio de parámetros característicos de
componentes electrónicos en función de la temperatura.
Para conocer las características del integrado LM - 317 se recomienda consultar el manual de la
National Semiconductor.
5.4. AMPLIFICADOR PARA EL SENSOR DE TEMPERATURA
En la prueba de componentes electrónicos se necesita leer la temperatura, por lo cual se utiliza un
sensor de temperatura LM - 335 que entrega una salida de voltaje proporcional a la temperatura a
la que se encuentre sometido ; dicha señal es de 10 mV / ºK. Esta señal de voltaje es muy
pequeña para ser procesada correctamente en el sistema de adquisición de datos y observarla en
el computador ; por esta razón se diseñó un amplificador no inversor con el integrado LM - 324
con una ganancia de 100, con el fin de obtener en la salida 1V cuando la señal del sensor sea de
10 mV ( Figura 17 ).
Este amplificador también se utilizará para amplificar la señal de salida de la prueba de circuitos
AC, en la cual se utiliza un transformador de corriente a voltaje de relación 1 :1, dando también
una señal muy pequeña en la salida para ser procesada y visualizada adecuadamente en el
sistema de adquisición.
Los cálculos del amplificador diseñado son los siguientes :
La ganancia es igual a :
Av = Rf / R1 = 100
Se toma R1 = 1 KΩ, por lo cual Rf es :
Rf = Av × 1000 = 100 KΩ
Entonces, R1 = 1 KΩ y Rf = 100 KΩ.
10 K
15 V
LM 335
R1
Rf
IN
10 mV /ºK
Salida
1 V / ºK
CH8
GND1
SAL 3
2
1 4
11 GND
+V +
- LM 324
Figura 17.
6. MEMORIA DE CÁLCULOS
6.1 FILTROS ACTIVOS Y PASIVOS
6.1.1 Filtro Pasabajos. Se diseñó un filtro pasabajos para una atenuación de -20 dB/década,
como el de la figura 18.
El diseño de este filtro se llevó a cabo en tres pasos :
Rf = R
VjwRC
Eo i=+
×1
1
Ei301
-V+V
1.0 kHz
+
30pF
+
C
74
18
2
36R
Rf
Figura 18. Filtro pasabajos
vo
1. Se seleccionó la frecuencia de corte, ya sea wc o fc, donde wc debe estar dado en radianes por
segundo y fc en Hertz.
2. Se eligió la resistencia de entrada R, por lo general entre 10KΩ y 100KΩ.
3. Se calculó C mediante la ecuación Cw R f Rc c
= =1 1
2π, la cual involucra a wc o fc.
Cálculos :
1. Se seleccionó una frecuencia de corte de 50 Hz.
2. Se tomó una resistencia de entrada de 1KΩ.
3. Se calculó C.
CHz K
uF C uF= = ⇒ ≅1
2 50 1318 33
π( )( ). .
Ω
La gráfica de respuesta en frecuencia del filtro pasa bajo con una atenuación de -20
dB/Década se muestra en la figura 19.
1.0
0.707
0.1
0.01
0.1wc wc 10wc 100wc
-20
-40
-3
0
V
EAo
iCL=
V
Eo
i
1.0
Ganancia de voltaje ( Razón )
Ganancia de voltaje ( dB )
Figura 19. Respuesta en frecuencia del filtro pasabajos
Pendiente = -20 dB / década
6.1.2 Filtro pasa altos. Se diseñó un filtro pasa altos para una atenuación de -20 dB/década, como
el que se muestra en la figura 20.
En este filtro, a diferencia del anterior, se calculó el valor de la resistencia R y no del condensador
C.
La razón de este cálculo es que para los filtros pasa altos por lo general se elige C con wc y se
calcula R.
Los siguientes son los pasos de diseño del filtro :
1. Se escogió la frecuencia de corte wc o fc.
2. Se eligió un valor conveniente de C.
3. Se calculó R mediante la ecuación Rw C f Cc c
= =1 1
2π, la cual involucra a wc o fc.
Cálculos :
1. Se seleccionó una frecuencia de corte de 50 Hz.
2. Se tomó un valor de C = 3.3 uF
3. Se calculó R.
VjwRC
Eo i=
−
×1
11
Ei301
-V+V
1.0 kHz
+
30pF
+C
74
18
2
36
R
Rf
Vo
Figura 20. Filtro pasa altos
RHz uF
R K= = ⇒ ≅1
2 50 33964 1
π( )( . )Ω Ω
4. Rf = R = 1KΩ
La gráfica de respuesta en frecuencia del filtro pasa alto con una atenuación de -20
dB/década se muestra en la figura 21.
6.1.3 Filtro pasabanda.
Se diseñó el filtro pasa banda que se muestra en la figura 22.
1.0
0.01wc 0.01wc 0.01wc 0.01wc
V
Eo
i
Pendiente = 20 dB / década
Figura 21. Respuesta en frecuencia del filtro pasa altos
301Ei
+C1
+ 150pF
+C2
1
4
2
36
R1
R2
El diseño de este filtro se llevó a cabo a través de los siguientes pasos :
1. Se seleccionó la frecuencia resonante wr o fr y el ancho de banda B.
2. Se calculó el factor de calidad Q mediante la ecuación Qw
B
f
Br r
= =2π
. Para algunos diseños
se eligen wr y Q y se calcula el ancho de banda B por medio de la ecuación Bw
Q
f
Qr r
= =2π
.
3. Para simplificar el diseño y reducir el número de cálculos, se escogió C1 = C2 = C y se
calcularon los valores de R1, R2 y R3 mediante las siguientes ecuaciones :
R2
BC2 = = =−
, ,RR
AR
R
Q Ar r1
23
224 2
Para garantizar que R3 tenga un valor positivo, se debe tener la precaución de que 4Q2 > 2Ar.
Cálculos :
1. Se tomó una frecuencia resonante de 60 Hz y el ancho de banda de 75 Hz.
2. Se calculó el factor de calidad Qf
Br
= = =2 2 60
755
π π( ).
3. Se tomó un condensador C1 = C2 = C = 3.3 uF y se calcularon las resistencias R1, R2 y R3.
RBC uF2
2 2
75 3380808= = =
( )( . ). Ω R2 ≅ 8.2 KΩ
Se tomó Ar = 10
RR
AR
r1
212
80808
2 10404 4 390= = = ⇒ ≅
.
( ). Ω Ω
RR
Q AR
r3
22 2 34 2
80808
4 5 2 1010101 100=
−=
−= ⇒ ≅
.
( ) ( ). Ω
La gráfica de respuesta en frecuencia de un filtro pasabanda se muestra en la figura 23.
6.1.4 Filtro supresor de banda. Se diseñó el filtro supresor de banda que aparece en la figura 24.
Ar
0.707Ar
Ancho de banda, B
Qw
Bo B
w
Qr r
= =
we wr wh w
V
Eo
i
Figura 23. Respuesta en frecuencia de un filtro pasa banda
Ei301
+
30pF
74
18
2
36
+C1
-V+V
1.0 kHz
+C2
Ra
Rb
R1
R2
El diseño de este filtro se realizó siguiendo los siguientes pasos :
1. Se seleccionó la frecuencia resonante wr o fr y el ancho de banda B.
2. Se calculó el factor de calidad Q mediante la ecuación Qw
B
f
Br r
= =2π
.
3. Se escogió C1 = C2 = C ( algún valor conveniente )
4. Se calculó R2 mediante la ecuación R2 = 2 / BC
5. Se calculó R1 mediante la ecuación R1= R2 / 4Q2
6. Se eligió un valor conveniente para Ra.
7. Se calculó Rb mediante la ecuación Rb = 2Q2Ra
Cálculos :
1. Se tomó una frecuencia resonante de 60 Hz y el ancho de banda de 75 Hz.
2. Se calculó el factor de calidad Q mediante la ecuación Qf
Br
= = =2 2 60
755
π π( ).
3. Se escogió C1 = C2 = C = 3.3 uF
4. Se calculó RBC uF2
2 2
75 3380808= = =
( )( . ). Ω R2 ≅ 8.2 KΩ
5. Se calculó R1= R2 / 4Q2 = 8080.8 / ( 4(25)) = 80.8Ω ⇒ R1 ≅ 100 Ω
6. Se eligió Ra = 1KΩ
7. Se calculó Rb = 2Q2Ra = 2(25)(1 KΩ ) = 50KΩ Se toma de 47KΩ.
La gráfica de respuesta en frecuencia del filtro supresor de banda se muestra en la figura 25.
6.1.5 Filtros pasivos. Se plantea a continuación el diseño de dos filtros pasivos pasabajos y
pasaaltos.
Para el diseño de los filtros pasabajos y pasaaltos se siguieron los mismos pasos usados en el
diseño de los filtros activos.
1. Se selecciona la frecuencia de corte fc = 50Hz
2. Se seleccionó un valor apropiado de C = 3.3 uF
3. Se calculó Rw C f Cc c
= =1 1
2π ⇒ R
Hz uFR K= = ⇒ ≅
1
2 50 33964 1
π( )( . )Ω Ω
wr V
Eo
i
0.707
B
w rad / s
Figura 25. Respuesta en frecuencia de un filtro supresor de banda
0.1
0.01
0.001
-3
-20
-40
-60
Ganancia de Voltaje ( dB )
Ganancia de Voltaje (Razón )
Los filtros diseñados se presentan en la figura 26.
La respuesta en frecuencia de los dos filtros pasivos, pasabajos y pasaaltos, corresponde con la de
sus similares filtros activos.
6.2 MÓDULOS
6.2.1 Módulo de Condensadores. En este módulo se encuentran todos los valores de
condensadores calculados anteriormente para las pruebas de carga y descarga, filtros activos y la
prueba de los elementos electrónicos. Además, se incorporaron otros valores para que los
estudiantes puedan hacer montajes con valores diferentes a los calculados.
De las doce capacitancias que se encuentran en el módulo, cinco fueron calculadas ( 1, 3.3, 4.7,
33 y 68 uF ), las siete restantes se tomaron como opción ( 2.2, 10, 22, 47, 100, 220 y 470 uF ).
Además, se decidió disponer de doce capacitores con el fin de seguir la simetría existente entre
este módulo y el de las resistencias. Ver figura 27. ( Módulo de condensadores ).
R
C Vi
a). Filtro pasivo pasabajos
Vo R
C
Vi Vo
b). Filtro pasivo pasaaltos
Figura 26. Filtros
6.2.2 Módulo de Resistencias. Al igual que el módulo anterior, en éste se encuentran doce
valores de resistores, de los cuales once fueron calculados anteriormente para las pruebas de
carga y descarga y filtros activos ; el otro valor se colocó como opción para los estudiantes.
Los once valores calculados son : 100 Ω, 390 Ω, 1 KΩ, 2.2 KΩ, 4.7 KΩ, 8.2 KΩ, 47 KΩ, 100
KΩ y 2 MΩ, y el opcional 10 KΩ. Ver figura 28. ( Módulo de resistencias).
Figura 27.
Figura 28.
6.2.3 Módulo de Nodos. Se diseñó de cinco nodos cada uno con cinco puntos comunes, ya que
el montaje de cada una de las pruebas necesita de la conexión mutua de múltiples elementos. Ver
figura 29 ( Módulo de nodos ).
6.2.4 Módulo de Interruptores. Este módulo se diseñó teniendo en cuenta que para algunas
pruebas, tales como la de filtros activos, circuitos AC e inducción magnética, se requiere activar
primero la experiencia y luego ejecutar el programa para posteriormente realizar la adquisición de
los datos.
En este módulo se colocaron cuatro interruptores pensando en tener como mínimo dos opciones y
buscando simetría con la distribución del espacio. Ver figura 30. ( Módulo de interruptores ).
Figura 29.
6.2.5 Módulo de Amplificadores Operacionales. Este módulo se diseñó para el montaje de
cuatro filtros activos distribuidos así :
• El amplificador operacional número uno para los filtros pasa bajos, pasa altos y supresor de
banda.
• El amplificador operacional número dos para el filtro pasa banda.
Los cálculos para estos filtros se desarrollaron anteriormente y se utilizó el amplificador operacional
LM - 301. Ver figura 31. ( Módulo de amplificadores operacionales ).
Figura 30.
6.2.6 Módulo Principal. Este módulo se diseñó para facilitar las conexiones a realizar en cada
una de las seis prácticas.
Dentro de éste se colocaron el bloque conector de la tarjeta de adquisición, llevando a unos bornes
nueve entradas análogas y cuatro entradas o salidas digitales con sus respectivas tierras. También
incluye las cinco fuentes de corrientes diseñadas anteriormente, dos circuitos de activación de relé
y una fuente de poder regulada calculada anteriormente.
Por último se le instaló un transformador de relación uno a uno, que convierte la señal de corriente
de AC en señal de voltaje en la salida.
Todos los bornes se distribuyeron uniformemente a través del panel frontal del módulo, con el fin
de obtener una distribución simétrica del espacio disponible. Ver figura 32 ( Módulo principal ).
Figura 31. Módulo de Amplificadores Operacionales
7. INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL
La instrumentación virtual representa los programas ( panel frontal y diagrama de bloques )
creados para el correcto funcionamiento y adquisición de los datos de cada una de las
experiencias.
Los programas se crearon teniendo en cuenta las necesidades y objetivos planteados para cada
una de las prácticas. En cada uno de éstos, se maneja una simbología poco común dentro del
Figura 32.
lenguaje de programación tradicional; éste es un lenguaje gráfico representado por bloques, los
cuales pueden cumplir una o varias funciones dentro del mismo programa.
Cada uno de los dispositivos utilizados en los diferentes programas tienen un símbolo
característico, el cual representa la función para la cual fue creado. En cada programa intervienen
dispositivos con funciones diferentes a otros dispositivos que se encuentran dentro del mismo
programa.
Para que el estudiante tenga un mayor conocimiento del funcionamiento de cada uno de estos
dispositivos, puede consultar las guías del usuario del software Labview, que comprende todos los
manuales relacionados con la descripción detallada de los dispositivos que intervienen en los
programas que a continuación se muestran. Estos programas se muestran distribuidos en el
siguiente orden :
1). Carga y descarga del condensador.
2). Filtros RC.
3). Circuitos AC.
4). Inducción magnética.
5). Estudio de parámetros característicos de componentes electrónicos en función de la
temperatura.
6). Superficies equipotenciales.
1. CARGA Y DESCARGA DEL CONDENSADOR
1.1. OBJETIVOS
• Analizar el comportamiento del voltaje durante el proceso de carga y descarga de cuatro
condensadores simultáneamente.
• Determinar la influencia de la constante de tiempo en la dinámica del circuito RC.
1.2. TEMAS DE CONSULTA
Capacitancia, circuitos RC, carga y descarga de un condensador, constante de tiempo,
función exponencial.
1.3. BIBLIOGRAFÍA
• Serway, Física Tomo II. Caps. 27 y 28.
• Sears - Zemansky - Young, Física Universitaria Cap. 28.
• Giancolli, Física Tomo II.
1.4. PRELIMINARES
Se determinará la curva de carga y descarga de un condensador para voltaje.
1.5. EQUIPO
• Fuente de C.C.
• Módulo principal.
• Módulo de condensadores.
• Módulo de resistencias.
• Nodera.
• Cables de conexión.
• Computador con tarjeta de adquisición de datos ( DAQ ) y software LABVIEW
instalados.
1.6. PREGUNTAS DE REPASO
1. ¿ A que se le conoce como constante de tiempo en un circuito RC ?
2. ¿ Cómo se comporta un condensador cuando está descargado ?
3. ¿ Cómo se comporta un condensador cuando está cargado ?
4. ¿ En cuanto tiempo se considera que se ha cargado un condensador conectado en serie
con una resistencia ?
5. Por qué no se debe cargar un condensador directamente de una fuente ?
1.7. PROCEDIMIENTO
1. Se implementará el circuito de la figura 1.
PC
Mód. Ppal.
GND2 ( AI SENSE )
CH0
CH1CH2CH3
+
-
+
C1
+
C2
+
C3
+
C4
N.C.N.O.
R5
R1R2R3R4
Figura 1. Montaje para Carga y Descarga del Condensador
2. Seleccione del módulo de resistencias R1 = 100 KΩ, R2 = 47 KΩ, R3 = 2.2 MΩ,
R4 = 2.2 MΩ y R5 = 2.2 KΩ.
3. Seleccione del módulo de condensadores C1 = 68 uF, C2 = 33 uF, C3 = 4.7 uF y
C4 = 1 uF.
4. Seleccione un voltaje de carga para los cuatro condensadores de 5 V DC.
5. Conecte los contactos normalmente abierto ( N.O. ) y normalmente cerrado ( N.C. ) del
relé 1 del módulo principal como lo indica la figura 1.
6. Alimente el relé 1 del módulo principal con 5 V DC ( 5 V al borne positivo del relé y
Tierra al borne negativo ) y conecte a su vez la salida digital DIO 0 al DIO del relé 1.
7. Conecte los canales análogos CH0, CH1, CH2 y CH3, además de la tierra GND2 ( AI
SENSE ) del módulo principal como se indica en la figura 1.
Nota 1 : Todas las tierras están conectadas como punto común.
Nota 2 : Siga las instrucciones de la guía de manejo del programa " Carga y descarga del
condensador " para la realización de la experiencia.
1.8. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
1. Dibuje en una sola gráfica la curva Vc vs t para el proceso de carga y descarga de los
cuatro condensadores. Analice los resultados.
2. En la curva de voltaje de carga, halle el tiempo en el cual el voltaje del condensador
alcanza el 63.2% de su valor final. Verifique que es igual a τ ( τ = RC ). Demuestre
esta afirmación. Sugerencia ( 1 - e-1 = 0.632 ).
3. Halle la pendiente de la curva de carga en t = 0, verifique que intercepta a la recta
V = 5, en un tiempo igual a τ . Explique por qué.
4. Demuestre que el tiempo en el cual el voltaje en el condensador alcanza el 99% de su
valor final es 5τ. ¿ Lo comprobó experimentalmente ?.
5. Conclusiones y observaciones.
2. FILTROS RC
2.1. OBJETIVOS
• Analizar el comportamiento de los diferentes filtros activos y pasivos para las
frecuencias de corte calculadas.
• Hacer un análisis comparativo entre filtros activos y pasivos.
• Construir las gráficas de Vo ( salida ) vs frecuencia para cada uno de los filtros.
• Calcular la frecuencia de corte para los filtros pasabajos y pasaaltos y el ancho de banda
para los filtros pasabanda y supresor de banda.
2.2. TEMAS DE CONSULTA
Filtros activos, filtros pasivos, ancho de banda, ganancia de voltaje, amplificadores
operacionales.
2.3. BIBLIOGRAFÍA
• FLOYD Tomas, Dispositivos Electrónicos.
• COUGHLIN Robert, DRISCOLL Frederick, Circuitos Integrados Lineales y
Amplificadores Operacionales. Cap. 12.
2.4. PRELIMINARES
Se calculará la frecuencia de corte teórica y experimentalmente y se construirá las gráficas
de Vo ( Salida ) vs f ( frecuencia ) para :
• Filtro pasabajos.
• Filtro pasaaltos.
• Filtro pasabanda.
• Filtro supresor de banda.
2.5. EQUIPOS
• Fuente dual
• Módulo principal
• Nodera
• Módulo de amplificadores operacionales
• Módulo de resistencias
• Módulo de condensadores
• Módulo de interruptores
• Cables de conexión
• Generador de señales
• Computador con tarjeta de adquisición de datos ( DAQ ) y software LABVIEW
instalados.
2.6. PREGUNTAS DE REPASO
1. ¿ Qué es un filtro activo y cuantos tipos básicos existen ?
2. ¿ Qué son filtros pasivos ? ¿ En qué se diferencian de los filtros activos ?
3. ¿ Qué es un amplificador operacional ?
4. ¿ A qué le conoce como frecuencia de corte ?
5. ¿ Que es el ancho de banda en un filtro pasabanda y supresor de banda ?
2.7. PROCEDIMIENTO
2.7.1. Filtro pasabajos
a ). Se realizará el montaje del filtro pasabajos mostrado en la figura 1.
b ). Para realizar este montaje tome el amplificador operacional número 1 del módulo de
operacionales.
c). Tome Rf = R = 1 KΩ del módulo de resistencias y C = 3.3 uF del módulo de
condensadores.
d). Conecte el canal análogo 0 ( CH0 ) del módulo principal a la salida del filtro y el canal
análogo 1 ( CH1 ) a la entrada del filtro, como lo indica la figura 1.
e). Alimente el amplificador operacional número 1 con + 5V DC en el terminal 7 y - 5V
DC en el terminal 4. Para obtener estos voltajes utilice una fuente dual.
301
Ei C
Rf
2
3 8
6
+V -V 7
R
30 pF
-
+
4
Figura 1. Montaje para el filtro pasabajos
Mód. Ppal.
Computador
CH0
GND1
CH1
f). Conecte a la entrada del filtro el generador de señales y gradúe un voltaje de 2 V pico -
pico.
Nota 1. Todas las tierras están conectadas entre sí como un punto común, incluyendo la de
la tarjeta.
Nota 2. Siga las instrucciones de la guía de manejo del programa " Filtros RC " para la
realización de la experiencia y adquisición de datos.
g). Variando la frecuencia de la señal de entrada a valores de : 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40,
45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300 y 500 Hz; haga la adquisición de los voltajes de
salida, entrada y de la ganancia de voltaje ( Vo / Vi ) para cada valor de frecuencia antes
mencionado. Guarde los datos de la adquisición en un archivo de EXCEL.
h). Observe lo sucedido con el voltaje de salida a medida que se incrementa la frecuencia
de la señal de entrada.
i). Imprima los datos guardados para su posterior análisis.
2.7.2. Filtro pasaaltos
a). Se realizará el montaje del filtro pasaaltos mostrado en la figura 2.
Siga los pasos realizados en el montaje anterior ( filtro pasabajos ) desde el inciso b) hasta
el i).
2.7.3. Filtro pasabanda
a). Se realizará el montaje del filtro pasabanda mostrado en la figura 3.
Mód. Ppal.
Computador
CH0
GND1
+
- 301
Ei
C2
R2
2 1 6
R1 150pF
C1
R3 3 4
7
+V -V
Figura 3. Montaje para el filtro pasabanda
+
- 301
Ei
C
Rf
2
1 3 8
6
+V
-V 7 4
R 30 pF
Figura 2. Montaje para el filtro pasa altos
Mód. Ppal.
Computador
CH0
GND1
CH1 CH1
CH1
b). Para realizar este montaje tome el amplificador operacional número 2 del módulo de
operacionales.
c). Tome R1 = 390 Ω, R2 = 8.2 KΩ, R3 = 100 Ω del módulo de resistencias y C1 = 3.2 uF
( 2.2 uF + 1 uF ), C2 = 3.3 uF del módulo de condensadores.
Realice los incisos d). al i). del numeral 2.7.1. ( filtro pasabajos ).
2.7.4. Filtro supresor de banda
a). Se realizará el montaje del filtro supresor de banda mostrado en la figura 4.
b). Para realizar este montaje tome el amplificador operacional número 1 del módulo de
operacionales.
c). Tome R1 = 100 Ω, R2 = 8.2 KΩ, Ra = 1 KΩ y Rb = 47 KΩ del módulo de resistencias y
C1 = 3.2 uF ( 2.2 uF + 1 uF ), C2 = 3.3 uF del módulo de condensadores.
Mód. Ppal
Computador
CH0
GND1
+
- 301
Ei
C2
R2
2 1
6
R1 30pF
C1
Ra
3 4
7
+V -V
8
Rb
Figura 4. Montaje para el filtro supresor de banda
CH1
Realice los incisos d). al i). del numeral 2.7.1. ( filtro pasabajos )
2.7.5. Filtro pasivo pasabajos
a). Se realizará el montaje del filtro pasivo pasabajos mostrado en la figura 5.
b). Tome R = 1 KΩ del módulo de resistencias y C = 3.3 uF del módulo de condensadores.
c). Conecte el canal análogo 0 ( CH0 ) del módulo principal a la salida del filtro como lo
indica la figura 5.
Siga los incisos f). al i). del numeral 2.7.1. ( filtro pasabajos )
Bloque conector
Computador
CH0
GND1
R
C
Figura 5. Montaje para el filtro pasivo pasabajos
Ei
2.7.6. Filtro pasivo pasaaltos
a). Se realizará el montaje del filtro pasivo pasaaltos mostrado en la figura 6.
Siga los pasos del numeral anterior ( filtro pasivo pasabajos )
2.8. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
1. Calcule la frecuencia de corte teóricamente, para el filtro pasabajos de la figura 1, con
la fórmula fc = 1 / ( 2πRC ) y compárelo con el valor experimental. Obtenga
conclusiones.
2. Calcule la frecuencia de corte teóricamente, para el filtro pasaaltos de la figura 2, con
la fórmula fc = 1 / ( 2πRC ) y compárelo con el valor experimental. Obtenga
conclusiones.
3. ¿Cómo son estos valores entre el experimental y el teórico para cada filtro ?
4. En qué difieren el filtro pasabajos y el filtro pasaaltos ?
Bloque conector
Computador
CH0
GND1
R
C
Figura 6. Montaje para el filtro pasivo pasaaltos
Ei
5. Calcule el ancho de banda teóricamente, para el filtro pasabanda de la figura 3, con la
fórmula B = 2πfr / Q, donde :
• Q es el factor de calidad, tómelo Q = 5.
• fr es la frecuencia resonante, tómela f = 60 Hz.
Compare el ancho de banda teórico con el ancho de banda experimental ¿ Cómo son
estos valores ?. Obtenga conclusiones.
6. Calcule el ancho de banda teórico, para el filtro supresor de banda de la figura 4, con la
fórmula B = 2πfr / Q, donde :
• Q es el factor de calidad, tómelo Q = 5.
• fr es la frecuencia resonante, tómela f = 60 Hz.
Compare el ancho de banda teórico con el ancho de banda experimental ¿ Cómo son
estos valores ?. Obtenga conclusiones.
7. Calcule la frecuencia de corte teóricamente, para los filtros pasabajos y pasaaltos
pasivos de las figura 5 y 6 respectivamente, con la fórmula fc = 1 / ( 2πRC ) y compare
estos valores con los obtenidos experimentalmente. Obtenga conclusiones.
8. ¿ Qué diferencia hay entre la respuesta de los filtros activos pasabajos y pasaaltos y los
filtros pasivos pasabajos y pasaaltos ?
9. Construya con la ayuda del profesor o del auxiliar del laboratorio las gráficas de
respuesta en frecuencia para cada uno de los filtros activos antes mencionados.
10. Conclusiones y observaciones
6. SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES
6.1. OBJETIVOS
• Analizar el comportamiento del campo y del potencial eléctrico para diferentes
configuraciones de electrodos.
• Determinar las superficies equipotenciales y las líneas de campo para distribuciones de
carga.
6.2. TEMAS DE CONSULTA
Campo eléctrico, potencial eléctrico, líneas de campo y superficies equipotenciales.
6.3. BIBLIOGRAFÍA
• SERWAY, Física Tomo II. Caps. 25 y 26.
• KRAUS, Electromagnetismo. Cap. 2.
6.4. PRELIMINARES
Se determinarán las superficies equipotenciales y las líneas de campo para diferentes
configuraciones de electrodos :
• Electrodos puntuales
• Electrodos puntual y plano
• Electrodos planos
• Electrodos circulares.
6.5. EQUIPOS
• Tres fuentes de C.C.
• Nodera
• Montaje en madera
• Papel resistivo con cuatro configuraciones
- Electrodos circulares
- Electrodos puntuales
- Electrodos puntual y plano
- Electrodos planos
• Cables de conexión
• Módulo principal
• Computador con tarjeta de adquisición de datos ( DAQ ) y software LABVIEW
instalados.
6.6. PROCEDIMIENTO
6.6.1. Electrodos circulares
1. Realice el montaje del circuito indicado en la figura 1.
10 V
Mód. Ppal.
Computador
GND1
CH2 Electrodo de prueba
Figura 1. Montaje de electrodos circulares
2. Alimente los electrodos de las configuraciones puntuales, circulares, planos y puntual -
plano, con un voltaje de 10V DC.
Para todos los montajes se dispone de una caja de madera con un sistema de rieles y bujes
para obtener un desplazamiento horizontal y vertical del electrodo de prueba ( CH2 ). Tanto
el desplazamiento horizontal como vertical tienen un potenciómetro, con el cual se busca
obtener la distancia a la cual el electrodo de prueba ha encontrado un voltaje igual ; para
posteriormente dibujar las líneas equipotenciales.
Estos potenciómetros se van a alimentar con un voltaje de 10 V DC entre sus terminales
fijos y a los terminales variables se le conectarán los canales análogos CH0 ( para el
potenciómetro de desplazamiento horizontal ) y CH1 ( para el potenciómetro de
desplazamiento vertical ) del módulo principal ( ver figura 2 ).
Conecte el canal análogo CH2 al electrodo de prueba para cada una de las configuraciones
de electrodos como lo indica la figura 1.
Nota 1. Todas las tierras van conectadas como punto común.
10 V
GND1 CH0
Potenciómetro
Desplazamiento horizontal
10 V
GND1 CH1
Potenciómetro
Desplazamiento vertical
Figura 2. Potenciómetros para el desplazamiento
3. Inicie el experimento colocando el molde cuadriculado ( 25 ×25 ), en donde cada
cuadro tiene 4 mm × 4 mm, sobre la configuración de electrodos circulares en el
montaje de madera como lo indica la figura 1. Luego de abrir la prueba en Labview
" Superficies Equipotenciales " llene las columnas verticales que aparecen en el panel
frontal de dicha prueba, siguiendo las instrucciones de la guía de manejo de
" Superficies Equipotenciales ". Después de haber llenado las columnas retire el molde
cuadriculado y deje solamente la configuración de electrodos circulares.
Repita el procedimiento anterior para las tres configuraciones de electrodos
restantes ( puntuales, planos y planos - puntuales ) cuando realice cada uno
de los montajes.
4. Luego desplace el electrodo de prueba ( CH2 ) a través de toda la superficie del papel
resistivo, y cerciórese de guardar los datos de voltaje en puntos horizontales y
verticales que marquen el mismo voltaje.
Los datos serán guardados en una matriz de n × n predeterminada por el número de
divisiones que se llevan a cabo en el panel frontal.
Nota 2. Realice la misma operación ( inciso 4 ) para todas las configuraciones restantes.
Nota 3. Siga las instrucciones de la guía de manejo del programa " Superficies
equipotenciales " para la realización de la experiencia.
6.6.2. Electrodos puntuales
1. Realice el montaje del circuito indicado en la figura 3.
Siga el procedimiento del numeral 6.6.1.
6.6.3. Electrodos puntual y plano
1. Realice el montaje del circuito indicado en la figura 4.
Siga el procedimiento del numeral 6.6.1.
10 V
Mód. Ppal.
Computador
GND1
CH2 Electrodo de prueba
Figura 4. Montaje de electrodos plano y puntual
10 V
Mód. Ppal.
Computador
GND1
CH2 Electrodo de prueba
Figura 3. Montaje de electrodos puntuales
6.6.4. Electrodos planos
1. Realice el montaje del circuito indicado en la figura 5.
Siga el procedimiento del numeral 6.6.1.
6.7. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
1. La variación del potencial entre dos cilindros circulares de radios a y b ( b>a ) con una
diferencia de potencial aplicada entre los dos igual a Vo es :
VV r a
b ao
=× ln( / )
ln( / ) ( 1 )
Compruebe la validez dela ecuación (1) con los datos tomados y realice una gráfica de
V vs r. Explique la gráfica.
2. Dibuje las superficies equipotenciales con líneas continuas y las líneas de campo en
líneas de trazos para cada configuración de electrodos a partir de los datos tomados.
10 V
Mód. Ppal.
Computador
GND1
CH2 Electrodo de prueba
Figura 5. Montaje de electrodos planos
3. ¿ Cómo son las líneas de campo en la superficie de los electrodos ? ¿ Lo comprobó
experimentalmente ?
4. ¿ A qué se le denomina efecto de bordes ?
5. Conclusiones.
4. INDUCCIÓN MAGNÉTICA
4.1. OBJETIVOS
• Comprobar experimentalmente la inducción magnética de un solenoide expuesto a un
campo magnético variable.
• Determinar el voltaje inducido en un solenoide como función de la frecuencia, número
de vueltas, diámetro y la intensidad de campo magnético.
4.2. TEMAS DE CONSULTA
Ley de Faraday, campo magnético de un solenoide, ley de Ampere, flujo magnético, voltaje
inducido en una bobina, inductancia mutua.
4.3. BIBLIOGRAFÍA
• SERWAY, Física Tomo II. Cap. 30.
• SEARS - ZEMANSKY - YOUNG, Física Universitaria.
• GIANCOLLI, Física Vol. 2
• HALLIDAY - RESNICK
4.4. PRELIMINARES
El voltaje inducido en un solenoide se determinará como función :
a). De la intensidad de campo magnético
b). De la frecuencia del campo magnético.
c). Del diámetro de las bobinas.
4.5. EQUIPOS
• Bobina inductora de 75 cm y n = 534 espiras / m
• Bobinas de inducción de :
300 vueltas , diámetro 63 mm
300 vueltas , diámetro 43 mm
100 vueltas , diámetro 63 mm
• Generador de funciones
• Cables de conexión
• Nodera
• Amperímetro
• Módulo principal
• Módulo de interruptores
• Computador con tarjeta de adquisición de datos ( DAQ ) y software LABVIEW
instalados.
4.6. PROCEDIMIENTO
1. Arme el circuito mostrado en la figura 1.
La corriente de la bobina es medida con el amperímetro. El efecto de la frecuencia puede
ser estudiado entre 0.5 KHz y 3 KHz, ya que por encima de 3 KHz la onda se distorsiona
debido a la frecuencia de muestreo que tiene la tarjeta cuando se habilitan dos canales al
mismo tiempo.
Conecte el canal análogo CH0 del módulo principal a la bobina de campo ( primaria ) y el
canal análogo CH1 a la bobina de inducción ( secundaria ) ; además, conecte la tierra
GND1 para los dos canales.
Nota 1. Todas las tierras están conectadas como un punto común.
Nota 2. Siga las instrucciones de la guía de manejo del programa " Inducción magnética ",
para la realización de la experiencia y adquisición de los datos.
2. Voltaje inducido en función de la corriente primaria.
Seleccione la bobina de 63 mm de diámetro, 300 vueltas y una frecuencia de 3 KHz. Cabe
anotar que estos tres parámetros permanecen invariables.
1-10KHz
mA
Bobina de campo
Bobina de inducción
CH1
GND1
Figura 1. Montaje para inducción magnética
Bloque conector
Computador
CH0
GND1
Varíe la intensidad de corriente en la bobina inductora en valores de 30, 50, 70 y 90 mA.
Realice la adquisición del voltaje inducido, voltaje aplicado y relación de voltaje de salida y
entrada para cada uno de los valores de corriente antes mencionados. Guarde los datos de
adquisición en un archivo de EXCEL, imprima los datos para su posterior análisis.
3. Voltaje inducido en función de la frecuencia.
Seleccione la bobina de 63 mm de diámetro, 300 vueltas y una corriente de 50. Cabe anotar
que estos tres parámetros permanecen invariables.
Varíe la frecuencia de la bobina inductora en valores de 500 Hz, 1 KHz, 2 KHz, 3 Khz.
Realice la adquisición de voltaje inducido, voltaje aplicado y relación de voltajes para cada
valor de frecuencia antes mencionado. Guarde los datos en un archivo de EXCEL; imprima
los resultados para su posterior análisis.
4. Voltaje inducido en función del número de espiras.
Seleccione una frecuencia de 3 KHz con una corriente de 50 mA.
Utilice la bobina de inducción de 300, posteriormente realice la experiencia con la bobina
de 100 vueltas. Ambas bobinas deben ser de 63 mm de diámetro.
Para cada una de las bobinas utilizadas, realice la adquisición de voltaje inducido, voltaje
aplicado y relación de voltajes para cada valor de frecuencia antes mencionado. Guarde los
datos en un archivo de EXCEL; imprima los resultados para su posterior análisis.
4.7. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
1. Demuestre que el voltaje inducido en la bobina de inducción V debido a una corriente
alterna I = Io Sen wt que fluye a través de la bobina primaria es :
V = µo n A N w Io Cos wt ( 1 )
Donde : V = Voltaje inducido en la bobina secundaria ( bobina de inducción )
µo = Permeabilidad del vacío ( 4π × 10-7 H/m ).
A = Área transversal de la bobina de inducción.
n = Número de espiras / unidad de longitud de la bobina inductora.
N = Número de espiras de la bobina de inducción.
w = Frecuencia angular de la corriente en la bobina primaria ( 2πf )
Io = Valor máximo instantáneo de la corriente primaria ( I Io RMS= × 2 )
Nota : La corriente medida por el amperímetro es IRMS.
2. Compruebe la validez de la ecuación (1) para cada caso y estime el porcentaje de error.
3. Analice la variación del voltaje inducido con :
- La frecuencia
- La corriente primaria
- Número de espiras.
Desarrolle una hipótesis para explicar cada caso.
4. Conclusiones.
3. CIRCUITOS AC
3.1. OBJETIVOS
• Analizar el comportamiento de un inductor, capacitor y resistencia en un circuito de
corriente alterna.
• Determinar la magnitud y ángulo de fase del voltaje con respecto a la corriente de cada
uno de estos elementos.
3.2. TEMAS DE CONSULTA
Corriente alterna, circuitos RLC , inductores, capacitores, resistencia, ángulo de fase.
3.3. BIBLIOGRAFÍA
SERWAY, Física Tomo II
KEMMERLY, Circuitos de Corriente Alterna.
3.4. PRELIMINARES
Se determinará la magnitud y ángulo de fase del voltaje del condensador, inductor y
resistencia con respecto a la corriente que circula en cada elemento y/o la corriente del
circuito serie RLC.
3.5. EQUIPO
• Fuente de voltaje AC.
• Inductores o bobinas
• Condensadores
• Resistencias
• Cables de conexión
• Módulo de interruptores
• Módulo principal
• Nodera
• Computador con tarjeta de adquisición de datos ( DAQ ) y software LABVIEW
instalados.
3.6. PREGUNTAS DE REPASO
1). ¿ Qué es la corriente alterna ?
2). ¿ Cómo se comporta un inductor en corriente alterna ?
3). ¿ Cómo se comporta un condensador en corriente alterna ?
4). ¿ Qué es ángulo de fase ?
3.7. PROCEDIMIENTO
3.7.1. Circuito serie RLC
1). Se implementará el circuito serie RLC mostrado en la figura 1.
2). Seleccione R = 1 KΩ, C = 25 uF y L = 0.011 H.
Figura 1. Circuito serie RLC
3). Seleccione un voltaje alterno Ei = 7 V.
4). Conecte los terminales del condensador al canal análogo CH0 y a la tierra GND 1 del
módulo principal respectivamente como lo indica la figura 1.
5). Conecte la entrada del transformador de corriente del módulo principal al circuito,
como se muestra en la figura 1 y la salida del mismo al canal análogo CH1 y a la tierra
GND1 del módulo principal como lo muestra la figura 1.
6). Abra el programa " Circuitos AC ", ejecútelo y adquiera los datos de voltaje y corriente
para cada elemento.
7). Imprima los datos para su posterior análisis.
Repita la conexión para cada elemento restante.
Nota 1 :Todas las tierras están conectadas como punto común.
Nota 2 : Siga las instrucciones de la guía de manejo del programa " Circuitos AC " para la
realización de la práctica.
3.7.2. Circuito RLC serie - paralelo
1). Se implementará el circuito RLC serie - paralelo mostrado en la figura 2.
2). Seleccione R = 1 KΩ, C = 3.5 uF y L = 0.027 H.
3). Seleccione un voltaje alterno Ei = 7 V.
4). Conecte los terminales del condensador al canal análogo CH0 y a la tierra GND 1 del
módulo principal.
5). Conecte la entrada del transformador de corriente del módulo principal al circuito, como
se muestra en la figura 2 y la salida del mismo al canal análogo CH1 y a la tierra GND1 del
módulo principal como lo muestra la figura 2.
6). Abra el programa " Circuitos AC ", ejecútelo y adquiera los datos de voltaje y corriente.
Nota : Realice la conexión mostrada del transformador de corriente para todos los
elementos que hacen parte del circuito de la figura 2 y repita el anterior procedimiento para
obtener los datos de voltaje y corriente del inductor y la resistencia.
Figura 2. Circuito RLC serie - paralelo
7). Imprima los datos para su posterior análisis.
3.7.3. Circuito RLC paralelo
1). Se implementará el circuito RLC paralelo mostrado en la figura 3.
2). Seleccione R = 1 KΩ, C = 25 uF y L = 0.011 H.
3). Seleccione un voltaje alterno Ei = 7 V.
Repita los incisos 4 al 7 del numeral 3.7.2.
3.7.4. Circuito RLC serie - paralelo
Figura 3. Circuito RLC paralelo
1). Se implementará el circuito RLC serie - paralelo mostrado en la figura 4.
2). Seleccione R = 1K Ω, C = 3.5 uF y L = 0.027 H.
3). Seleccione un voltaje alterno Ei = 7 V.
Repita los incisos 4 al 7 del numeral 3.7.2.
3.8. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
1). Calcule experimentalmente el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente para cada
elemento de los montajes realizados.
2). Calcule experimental y teóricamente las magnitudes del voltaje y la corriente para cada
elemento de cada uno de los montajes realizados. Compare estos valores entre sí.
3). Demuestre experimentalmente que el voltaje en un inductor se encuentra adelantado 90º
con respecto a la corriente.
Figura 4. Circuito RLC serie - paralelo
4). Demuestre experimentalmente que el voltaje en un condensador se encuentra atrasado
90º con respecto a la corriente.
5). Demuestre experimentalmente que el voltaje en una resistencia se encuentra en fase ( 0º
) con respecto a la corriente.
6). Conclusiones y observaciones.
5. ESTUDIO DE PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE
COMPONENTES ELECTRÓNICOS EN FUNCIÓN DE LA
TEMPERATURA.
5.1. OBJETIVOS
• Analizar el efecto zener y avalancha en los diodos zener de 2.7V, 6.8V, diodo de silicio
y diodo se germanio.
• Analizar la variación de resistencia de elementos como son : Resistencia NTC,
resistencia PTC, resistencia de película metálica TK-50 y resistencia de lámina de
carbón al aplicarles una corriente y ser sometidas a incrementos de temperatura.
5.2. TEMAS DE CONSULTA
Diodos zener, resistencias PTC, resistencias NTC, resistencias TK-50, diodo de silicio y
germanio.
5.3. BIBLIOGRAFÍA
- OMEGA, Complete Temperature Measurement Handbook and Encyclopedia.
Volumen 28.
- PHYWE, University Laboratory Experiments Physics. Catálogo 3.2.4.
5.4. PRELIMINARES
- Se analizará la variación de los cuatro diodos cuando se incrementa la temperatura.
- Se analizará la variación de resistencia de las cuatro resistencias cuando se incrementa la
temperatura.
5.5. EQUIPO
• Fuentes de corrientes del módulo principal.
• Refractaria.
• Circuito del sensor de temperatura
• Impreso de elementos electrónicos
• Agua destilada
• Módulo amplificador
• Cables de conexión
• Nodera
• Módulo principal
• Módulo de resistencias
• Computador con tarjeta de adquisición de datos ( DAQ ) y software LABVIEW
instalados.
5.6. PREGUNTAS DE REPASO
1). ¿ Qué son resistencias PTC y NTC ?
2). ¿ Qué son diodos zener ?
3). ¿ Qué son diodos de silicio y germanio ?
4). ¿ Cómo se polariza un diodo zener ?
5). ¿ Cómo se polariza un diodo de silicio y germanio ?
5.7. PROCEDIMIENTO
1). Se implementará el circuito mostrado en la figura 1 con el montaje de la figura 2.
2). Llene ¼ de la refractaria con agua destilada y sumerja el impreso de los componentes en
ella como se muestra en la figura 2. Posteriormente coloque el calefactor y préndalo al
correr la prueba.
CH0
CH1 CH2 CH3 CH4
CH5 CH6 CH7
GND1
Circuito impreso de los componentes
Figura 2
Montaje en la refractaria
Sensor de Temperatura
10 K
15 V DC
LM 335
R1
Rf
3
2 1
4
11
+V +
-
10 K ADJ
2
3
1
Mód. Ppal.
Computador CH3 CH2
CH1 CH0
Sensor de temperatura Amplificador
CH8
GND1
Figura 1
3). Conecte cada entrada de las fuentes de corriente I1, I2, I3 e I4 del módulo principal al
positivo de cada fuente de corriente directa de 5 V DC.
4). Conecte cada salida de las fuentes de corriente I1, I2, I3 e I4 del módulo principal en serie
con los siguientes elementos en el circuito impreso:
• Fuente de corriente I1 ( 10 mA) con la resistencia de lámina de carbón de 1 KΩ.
• Fuente de corriente I2 ( 17mA ) con la resistencia de película metálica TK-50 de
570Ω.
• Fuente de corriente I3 ( 9.1 mA ) con la resistencia NTC de 1 KΩ.
• Fuente de corriente I4 ( 53 mA ) con la resistencia PTC de 76 Ω.
5). Alimente el sensor de temperatura con 15 V DC en el terminal 2 ( + ) ; el terminal
3 ( - ) se conecta a tierra y la salida se conecta a la entrada del módulo del amplificador ;
posteriormente tome la salida del amplificador y conéctela al canal análogo CH8 del
módulo principal.
6). Conecte los terminales de cada elemento al respectivo canal análogo y tierra del módulo
principal de la siguiente manera :
• Canal análogo CH0 al diodo zener de 6.8 V
• Canal análogo CH1 al diodo zener de 2.7 V
• Canal análogo CH2 al diodo de silicio
• Canal análogo CH3 al diodo de germanio
• Canal análogo CH4 a la resistencia NTC
• Canal análogo CH5 a la resistencia PTC
• Canal análogo CH6 a la resistencia de película metálica TK - 50
• Canal análogo CH7 a la resistencia de lámina de carbón
7). Corra el programa y adquiera los datos.
Nota 1 : Todas las tierras están conectadas como punto común.
Nota 2 : Siga las instrucciones de la guía de manejo del programa " Estudio de parámetros
"
5.8. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
1). ¿ Cómo es la variación de voltaje en cada uno de los diodos ? Explique.
2). ¿ Cómo varía la resistencia PTC cuando se le incrementa la temperatura ?¿ Es lineal ?
Explique.
3). ¿ Cómo varía la resistencia NTC cuando se le incrementa la temperatura ?¿ Es lineal ?
Explique.
4). Con los datos tomados compare la variación dela resistencia TK - 50 y lámina de
carbón. Haga lo mismo para los diodos zener de silicio y germanio.
5). Conclusiones y observaciones.
