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TÉCNICAS Y PROCESOS DE MONTAJE Y

MTO. EQUIPOS ELECTRÓNICOS

Lab3 Análisis de circuitos RC

ACADEMIA DE LOGÍSTICA DEPARTAMENTO ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA Técnicas y procesos de montaje y mto. equipos elect rónicos

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NORMAS DE LABORATORIO - Las prácticas se realizarán en parejas. - La memoria y el estudio previo de la práctica se realizarán individualmente. - Antes de comenzar la realización de la práctica debe hacerse una detenida lectura de las instrucciones correspondientes, observando en que consiste el propósito del experimento y como ha de ser realizado. - Se observará el máximo cuidado con el manejo de los instrumentos y útiles de las prácticas, dejando el material completamente limpio y ordenado, al finalizar la práctica. - La memoria deberá de ser subida en formato electrónico a la plataforma de edmodo en el plazo establecido por el profesor (aproximadamente 2 semanas).


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INTRODUCCIÓN En esta práctica el alumno comprobará experimentalmente lo aprendido en la parte teórica de la asignatura sobre los transitorios R-C y R-L de primer orden que se producen cuando son excitados por una función en escalón. Los transitorios serán repetidos periódicamente mediante el uso de generadores síncronos de onda cuadrada.

OBJETIVOS El objetivo general de esta práctica consiste en que el alumno finalice el estudio de los circuitos de primer orden comparando los resultados teóricos y los resultados simulados con las medidas reales obtenidas en el laboratorio. Otros objetivos concretos son:

1. Aplicación al estudio de transitorios los conocimientos adquiridos sobre osciloscopios en la primera práctica.

2. Contrastar los resultados teóricos con los resultados prácticos analizando el origen de

las posibles discrepancias.

ACTIVIDADES Se van a diseñar, simular y ensayar varios circuitos sencillos (circuito RC y circuito RL) para poder comparar los resultados teóricos, de simulación y reales. Se utilizará como fuente de tensión una señal de onda cuadrada, sobre la cual variaremos algunos de sus parámetros característicos, como son la frecuencia, la amplitud, y el ciclo de trabajo (TON y TOFF donde T=TON+ TOFF) Se requiere visualizar en los supuestos anteriores el análisis del transitorio de subida y del de bajada de los diferentes circuitos propuestos. Además se variará el ciclo de trabajo de la señal de entrada (tiempo en que la señal de entrada se encuentra al valor de tensión superior con respecto al periodo completo).

• CIRCUITO serie RC

Circuito 1

1. La señal de excitación V1 será una onda cuadrada entre 0 y 10V (amplitud de 5V

y componente de continua de 5V) simétrica, es decir, donde TON= TOFF =T/2. La señal se obtendrá a partir del generador de funciones. El valor de la frecuencia de esta señal se determinará en el apartado 10.


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2. El valor del condensador a utilizar en la práctica será de 10nF. A continuación se muestra foto que identifica al condensador de entre los disponibles para realizar la práctica.

3. Determina el valor nominal que debe de tener la resistencia para obtener una

constante de tiempo de 40 µs (valor teórico).

4. Para realizar el montaje del circuito en el laboratorio deberás de seleccionar un

valor de resistencia comercial. Los valores normalizados existentes en el mercado se establecen de acuerdo con la norma IEC para cada una de las series de resistencias, obteniendo a partir de ellas otros valores normalizados, sin mas que añadir ceros (multiplicar por 10x) o quitar ceros (multiplicar por 10-x). Puede ver la tabla a continuación.

De acuerdo con la serie E12, selecciona el valor de resistencia que más se aproxime al valor calculado


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5. Determine el nuevo valor de la constante de tiempo del circuito 1 a partir del valor de resistencia seleccionado: …………… µs

6. A continuación debe de realizar el estudio teórico del circuito que va a montar, para

ello:

� Indique la expresión analítica que determina la tensión en el condensador Vc DURANTE EL PROCESO DE CARGA, y evalúela en los instantes de tiempo

t=0, τ, 2τ, 3τ, 4τ.

� Indique la expresión analítica que determina la corriente que atraviesa el

condensador Ic, y evalúela en los instantes de tiempo t=0, τ, 2τ, 3τ, 4τ.

7. ¿Cuánto tiempo debe transcurrir para que se produzca la carga completa del condensador?

8. Si el condensador se encuentra totalmente cargado al valor de tensión 10V

proporcionado por el generador durante el Ton, y llega el Toff de la onda cuadrada (V1=0V), cuanto tiempo será necesario para que se produzca su descarga completa del condensador?

9. Indique la expresión analítica que determina la tensión en el condensador Vc

DURANTE EL PROCESO DE DESCARGA, y evalúela en los instantes de tiempo t=0, τ,

2τ, 3τ, 4τ.

SOLUCION: τ/tEeVc −=

Vc(0)=E

Vc(τ)=0.37E=3.7v

Vc(2τ)=0.86E=1.4v

Vc(3τ)=0.05E=0.5v

Vc(4τ)=0.02E=0.2v

10. Si excitamos el circuito 1 con el generador de onda cuadrada simétrico (TON= TOFF

=T/2 ) establecido en el apartado 1,

¿Cuál será la frecuencia máxima que podremos seleccionar en el generador de funciones para la señal de entrada si debe cumplirse que con el condensador inicialmente descargado, el valor de tensión alcanzado por el condensador al final del Ton debe de ser de aprox. 10V?

11. ¿Se producirá la descarga durante el intervalo Toff? ¿Por qué?


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12. Represente las siguientes gráficas a partir de las expresiones analíticas indicadas anteriormente:

� La tensión de entrada V1 con las características especificadas en el apartado1 y la frecuencia obtenida en apartado 10, representando al menos 2 ciclos.

� La tensión en el condensador Vc para la señal de entrada V1 representada en la gráfica.

� La corriente que circula por el condensador Ic (NOTA: CUIDADO PORQUE LA CORRIENTE TIENE UN SENTIDO DURANTE LA CARGA DEL CONDENSADOR, Y ESTA SE INVIERTE EN LA DESCARGA)

V1, Vc

Ic

13. Realice el montaje del circuito 1 de acuerdo con los valores obtenidos para la R, y la frecuencia de la señal de entrada, y represente sobre la misma gráfica la señal de entrada V1 y la tensión en el condensador Vc (puedes fotografiar directamente la pantalla del osciloscopio)

V1, Vc


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14. ¿Existe alguna diferencia entre las señales representadas en el apartado 12 de V1 y Vc (representación teórica), con respecto a las obtenidas del osciloscopio?

15. Si se cuadriplica la frecuencia de la señal de excitación V1 obtenida en el apartado

10: a) ¿alcanzará el condensador el valor de tensión de régimen permanente (≈10V) al final del Ton? Determine analíticamente cual será el valor máximo de tensión alcanzado por el condensador.

b) Determine también el valor de tensión en bornes del condensador al final del Toff (al final del proceso de descarga) del primer periodo (NOTA: TENER PRESENTE QUE EN LA DESCARGA, EL VALOR INICIAL DE TENSIÓN DEL CONDENSADOR NO SON 10V PUESTO QUE DURANTE EL Ton NO SE ALCANZÓ EL VALOR DE TENSIÓN MAXIMO PROPORCIONADO POR EL GENERADOR).

16. En el montaje realizado anteriormente, modifique la frecuencia del generador de funciones para que ésta sea el cuatro veces mayor que la inicial, y represente la forma de onda durante 2 ciclos e indique si se cumple lo obtenido en apartado 15 a) y b).

17. Volviendo al circuito 1, se van a modificar las características de la señal de

excitación V1 tal que:

� Amplitud: 0-10V � f=3205Hz (misma frecuencia del apartado 10) � Ton=3/4T Toff=1/4T Como se puede observar, el periodo de la señal T está establecido por la frecuencia de la propia señal V1, pero sin embargo se modifica el tiempo en Ton y el tiempo en Toff. PARA AJUSTAR LA SEÑAL PROPORCIONADA POR EL GENERADOR DE FUNCIONES SERA NECESARIO QUE EXTRAIGAS EL POTENCIOMETRO DENOMINADO COMO SYM(PULL) Y POSTERIORMENTE LO GIRES PARA REALIZAR EL AJUSTE (del mismo modo que lo haces para añadir a la señal un nivel de continua).


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a) Determina analíticamente cual será el valor de tensión alcanzado por el condensador al final del Ton

b) Determina analíticamente cual será el valor de tensión alcanzado por el condensador al final del Toff

d) Calcule y represente las formas de onda de V1 y Vc durante 2 ciclos a partir de las expresiones analíticas.

d) Realice el montaje del circuito y ajuste las características del generador a las establecidas en este apartado, y represente las formas de onda de V1 y Vc durante 2 ciclos. ¿Existe alguna diferencia entre la representación teórica y la obtenida en el osciloscopio?

18. Modifique las características del generador V1 del apartado 17 para que se cumpla

que: � Ton=1/4T Toff=3/4T

a) Determina analíticamente cual será el valor de tensión alcanzado por el condensador al final del Ton


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b) Determina analíticamente cual será el valor de tensión alcanzado por el condensador al final del Toff (NOTA: TENER EN CUENTA QUE SI EN EL INTERVALO DE CARGA DEL C NO SE HA ALCANZADO EL VALOR DE TENSIÓN MAXIMO PROPORCIONADO POR EL GENERADOR, EL VALOR DE “E” EN LA EXPRESIÓN DE DESCARGA DEL C DEBE SUSTITUIRSE POR EL VALOR ALCANZADO

d) Calcule y represente las formas de onda de V1 y Vc durante 2 ciclos a través de las expresiones analíticas.

d) Realice el montaje del circuito y ajuste las características del generador a las establecidas en este apartado, y represente las formas de onda de V1 y Vc durante 2 ciclos. ¿Existe alguna diferencia entre la representación teórica y la obtenida en el osciloscopio?


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• DETERMINAR EL VALOR DE UN CONDENSADOR 1. Se desea determinar el valor de capacidad de un condensador a partir de la gráfica

que representa la evolución temporal de la tensión en el condensador, es decir, Vc, de acuerdo con el circuito representado en la siguiente figura (Circuito 2).

El circuito será excitado a través del generador de onda cuadrada simétrica (Ton=Toff) V1 entre 0 y 10V (amplitud de 5V y componente de continua de 5V). Modifique el valor de la frecuencia del generador hasta que pueda observar que el valor de tensión Vc del condensador alcanza el valor de régimen permanente, es decir, 10V. Realice el montaje del circuito 2 utilizando el condensador C1 representado en la foto (NOTA: C1 no se corresponde con el de 10nF del ejercicio anterior) Determine a partir de la gráfica representada en el osciloscopio el valor de C1

(NOTA: EL PROCESO DE CARGA DEL CONDENSADOR FINALIZA EN 4τ)

Circuito 2 Foto del condensador C1 a utilizar

Gráfica obtenida:


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2. Se desea determinar el valor de capacidad de un condensador a partir de la gráfica que representa la evolución temporal de la tensión en el condensador, es decir, Vc, de acuerdo con el circuito representado en la siguiente figura (Circuito 3).

Circuito 3 Foto del condensador C2 a utilizar

El circuito será excitado a través del generador de onda cuadrada simétrica (Ton=Toff) V1 entre 0 y 10V (amplitud de 5V y componente de continua de 5V. Sabiendo que el valor que tendrá la capacidad del condensador equivalente correspondiente al paralelo de C1 y C2 será mayor que C1, determine cual será la frecuencia máxima de la señal V1 para que el valor de tensión VC2 alcance el valor de régimen permanente (10V) suponiendo el valor de C2 despreciable frente a C1 (C2<<C1). (de este modo obtenemos la frecuencia inicial de V1 a partir de la cual debemos empezar a variar la misma) Realice el montaje del circuito 3 utilizando el condensador C2 representado en la foto y el C1=10nF utilizado anteriormente. Ajuste el generador de funciones para que la frecuencia de la señal V1 sea la calculada anteriormente. ¿Qué valor de tensión alcanza la tensión en el condensador C2 (VC2)?. Represente la gráfica obtenida. ¿A que se debe que la tensión VC2 no alcance el valor de 10V?


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Puesto que el valor de la tensión VC2 no alcanza el valor de 10V (régimen permanente) disminuya la frecuencia hasta que dicho valor sea alcanzado. A partir de la frecuencia de la señal V1, y del tiempo de carga del condensador, determine el valor del condensador. Represente la gráfica y demuestre como obtiene el valor de C2

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