Practica 5 Senales Alternas

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE FÍSICA Y MATEMÁTICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA Y CIENCIAS SOCIALES

CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Laboratorio de Circuitos Eléctricos Práctica 5

Realizó: Prof. Alfredo Godinez M.

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PRACTICA No 5

“OSCILOSCOPIO / SEÑALES ALTERNAS” Competencia: Utilizar y conectar adecuadamente un osciloscopio y un generador de

funciones. Conocer las características específicas de una señal alterna. Medir y calcular los

diferentes valores en una señal alterna el un circuito eléctrico.

MATERIAL: 1 Multímetro 1 Osciloscopio Digital 1 Generador de Funciones Cables Banana-Banana, Banana-Caimán, Cables BNC-Caimán

INTRODUCCIÓN:

Hasta ahora se han analizado circuitos resistivos con fuentes de voltaje y de

corriente que mantienen un nivel constante e invariable con el tiempo (señales de CD). En

general una red eléctrica puede contener todos los elementos pasivo (R, C y L) y también

fuentes variables en el tiempo ó de corriente alterna (señales de CA). Las señales de

corriente alterna se pueden definir por medio de varios parámetros, que veremos más

adelante, tales como: amplitud, frecuencia, trazo, factor de forma, etc. y pueden ser

clasificadas de diversas maneras de acuerdo a sus propiedades. Por ejemplo, de acuerdo a

su trazo pueden ser continuas ó discontinuas, en la figura No.1 se muestran varios ejemplos

de señales de ambos tipos. A las señales c, d, f y g también se les llama "de CD pulsantes"

debido a que siempre mantienen una sola polaridad con intensidad variable. En cuanto a su

repetición las señales alternas se pueden clasificar en periódicas y no-periódicas, por

ejemplo todas las señales de la figura No,1 son periódicas. En la figura No,2 se muestran

ejemplos de señales no-periódicas.

Ciclo.- Es la sucesión completa de todos los valores que adquiere una señal.

Período T.- Es el tiempo que tarda en sucederse un ciclo completo.

Frecuencia f.- Es el número de ciclos que suceden en 1 segundo, su unidad de medición es el

Hert y es igual al inverso del período(f=1/T)

Frecuencia Angular.- ω = 2πf = 2π/T (radianes /segundo)

Amplitud.- La amplitud de una señal periódica se puede designar por diversos valores:







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Valor pico-pico (Vpp), valor pico ó máximo (Vp ó Vm), valor medio (Vmed) y valor

raíz cuadrático medio (Vrms).

Factor de Forma.- Para cualquier señal alterna periódica de voltaje ó de corriente se define

un factor de forma que es único para una determina señal y está dado por la relación:

Ff = Vrms/Vmed.

Con las siguientes ecuaciones es posible determinar los valores medio (Vmed) raíz cuadrático

medio (Vrms) de señales alternas. Cuando la señal períodica es simétrica respecto al tiempo en

un ciclo completo su valor medio resulta ser cero y entonces se puede calcular su valor medio

sobre medio ciclo.

Ciclo.- Es la sucesión completa de todos los valores que adquiere una señal.

Período T.- Es el tiempo que tarda en sucederse un ciclo completo.

Frecuencia f.- Es el número de ciclos que suceden en 1 segundo, su unidad de medición es el

Hert y es igual al inverso del período(f=1/T)

Frecuencia Angular.- ω = 2πf = 2π/T (radianes /segundo)

Fig. No.1.- Ejemplos de señales contínuas

Fig. No.2.- Ejemplos de Señales Discontínuas







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Amplitud.- La amplitud de una señal periódica se puede designar por diversos valores:

Valor pico-pico (Vpp), valor pico ó máximo (Vp ó Vm), valor medio (Vmed) y valor

raíz cuadrático medio (Vrms).

Factor de Forma.- Para cualquier señal alterna periódica de voltaje ó de corriente se define

un factor de forma que es único para una determina señal y está dado por la relación:

La señal alterna más utilizada ampliamente en circuitos eléctricos y electrónicos es

aquella que varía senoidalmente con el tiempo. La preferencia en el uso de señales senoidales

se debe principalmente a que se presenta en forma simple en muchos fenómenos de la

naturaleza y que además puede ser generada fácilmente por sistemas físicos. En general, las

señales senoidales se aplican en el análisis de circuitos en el dominio de la frecuencia y otra

gran importancia de estas señales es que cualquier señal periódica distinta de la senoidal puede

ser representada por sumatorias senoidales por medio de las series de Fourier. Otras señales de

gran utilidad en el análisis de circuitos eléctricos y electrónicos son la señal triangular y la

señal cuadrada mostradas en la figura No.1b y No.1e.

Cómo se mide el voltaje pico, pico a pico y RMS: Los voltajes pico y pico a pico

se pueden medir exclusivamente en el osciloscopio. El voltaje pico se refiere al voltaje que

hay entre la refere3ncia de 0 V y la cresta de la señal alterna, la cual se le llama también

amplitud. El voltaje pico es 2 veces el voltaje pico de una señal senoidal, como es el caso

de la señal de CA comercial. El voltaje RMS se mide usando el Multímetro, aunque ya en

los nuevos osciloscopios también nos proporciona este dato.

Cómo se mide el valor RMS, valor pico, valor promedio: Las corrientes y los

voltajes (cuando son alternos) se expresan de forma común con su valor efectivo o RMS

(Root Mean Square – raíz media cuadrática). Cuando se dice que en nuestras casas

tenemos 120 volts, éstos son valores RMS o eficaces.

¿Qué es RMS y porqué se usa? Tiene una relación con la disipación de calor o

efecto térmico que una corriente directa de igual valor disiparía. Un valor en RMS de una

corriente es el valor que produce la misma disipación de calor que una corriente directa de

la misma magnitud. En otras palabras, el valor RMS es el valor del voltaje o corriente de

C.A. que produce el mismo efecto de disipación de calor que su equivalente de voltaje o

corriente en C.D.

Ejemplo 1: 1 ampere de corriente alterna (C.A..) produce el mismo efecto térmico que un

ampere de corriente directa (C.D. Por esta razón se utiliza el término “efectivo”. El valor

efectivo de una onda alterna se determina multiplicando su valor máximo por 0.707

VRMS = VPICO x 0.707







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Ejemplo: encontrar el voltaje RMS de una señal con VPICO = 130 volts

130 Volts x 0.707 = 91.9 Volts RMS

Si se tiene un voltaje RMS y se desea encontrar el voltaje pico:

VPICO = VRMS / 0.707

Ejemplo 2: encontrar el voltaje Pico de un voltaje VRMS = 120Volts

VPICO = 120 V / 0.707 = 169.7 Volts Pico

Valor promedio

El valor promedio de un ciclo completo de voltaje o corriente es cero ( 0 ). Si se toma en

cuenta solo un semiciclo (supongamos el positivo) el valor promedio es:

VPR = VPICO x 0.636

La relación que existe entre los valores RMS y promedio:

VRMS = VPR x 1.11

Resumiendo en una tabla en incluyendo el valor pico

Valores dados Para encontrar los valores

Máximo (pico) RMS Promedio

Máximo (pico) 0.707 x Valor Pico 0.636 x Valor Pico

RMS 1.41 x VRMS 0.9 x VRMS

Promedio 1.57 x Promedio 1.11 x Promedio

Ejemplo Valor promedio de sinusoidal = 50 Volts, entonces:

VRMS = 50 x 1.11 = 55.5 Volts

VPICO = 50 x 1.57 Volts = 78.5 Volts

Notas:

El valor pico-pico es 2 x Valor pico

Valor RMS = Valor eficaz = Valor efectivo

Cómo se mide voltaje y periodo con el

osciloscopio: Cuando una señal se

despliega en la pantalla del osciloscopio, se

puede obtener su amplitud real

multiplicando la cantidad de divisiones

verticales por la escala de cada división. Si

la señal tiene una amplitud de 3 divisiones y

cada división tiene un valor de 5 volts,

entonces la amplitud de la señal es de 15

volts.







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Figura 1. Osciloscopio Digital

En algunas ocasiones la señal puede tener una gran amplitud (100 Volts o más) o puede

ser muy pequeña (del orden de los milivolts). En estos casos, para poder visualizar la señal

y para poder verla aprovechando el espacio que da la pantalla de osciloscopio, se

selecciona la escala que más convenga.

- Si al señal es muy pequeña, ejemplo: Una señal senoidal de 25 milivolts (mV) de

amplitud, se puede escoger la escala de 5mV/Div. (5 milivolts por división) y la señal se

desplegará en la pantalla ocupando verticalmente 5 divisiones.

- Si la señal es grande, ejemplo: Una señal

senoidal de 35 volts de amplitud, se puede escoger una escala de 5 volts/Div. (5 volts por

división)

Para poder escoger la escala de medición en el sentido vertical, se utilizan los controles de

ganancia vertical.

Hay que tomar en cuenta que si se utiliza un osciloscopio de dos canales para ver dos

señales, es posible que cada señal tenga una ganancia diferente. Esto significa que, las

señales podrían verse muy parecidas en la pantalla del osciloscopio, pero pueden ser de

amplitudes muy diferentes en la realidad.

Cambiar la base de tiempo es muy útil en un osciloscopio pues ayuda a visualizar

cualquier señal que se mida de manera que se pueda “estirar” o “encoger” su presentación

a lo “ancho” de la pantalla (horizontalmente)

Cuando se ve una señal en la pantalla del osciloscopio, se puede medir su periodo

contando el número de cuadrículas o divisiones que hay a lo largo del eje horizontal. (El

periodo es la “distancia” que se mide sobre una señal periódica, desde un punto cualquiera

hasta sobre ella hasta que este punto se vuelva a repetir).

Una vez contadas las divisiones, se multiplican por la escala escogida para cada división.

Ejemplo: Midiendo un periodo.

Si tengo 5 divisiones de 10 milisegundos, el periodo es de 50 milisegundos y la frecuencia

es: f = 1 / T = 1 / 50 x 10-3

= 20 Hertz

Si se mide otra señal de una frecuencia muy diferente, es necesario hacer un ajuste a la

escala horizontal (la base de tiempo), de manera que se obtenga la mejor visualización de

la señal en la pantalla.







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¿Cómo se cambia la base de tiempo? Para cambiar la base de tiempo en un

osciloscopio, se utiliza una perilla de control llamada Time / Div. (tiempo por división).

Ver la figura

Esta perilla de control escoge, para este osciloscopio, una escala que va desde 0.2 uSeg

hasta 0.2 Seg por división.

Notas importantes:

- Si se está visualizando más de una señal, las dos tendrán la misma escala de base de

tiempo. Aún así se pueden ver en forma simultánea escogiendo la escala adecuada. De

esta manera se pueden hacer comparaciones entre las frecuencias y periodos de las

señales entre otras cosas.

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Cuestionario previo:

1.- Encuentre los valores medio y rms para señales senoidales, triangulares y cuadradas

en función de su valor pico. Determine el factor de forma que identifica a cada una de las

señales.

2.- Para señales senoidales, triangulares y cuadradas con amplitud de 4Vpp = 2Vp

determine sus valores medio y rms

En general las señales alternas pueden tener una componente de CD, la cuál representa

el valor medio de la señal en un período completo, por ejemplo, las señales de las figuras

No.1a, No.1b, No.1e tienen una componente de CD de cero. La notación general de las señales

alternas es la siguiente:

vA(t) = VA + va(t), donde VA representa la componente de CD de la señal A y va(t) es la

componente de CA de la señal A.

Por medio de un multímetro digital es posible medir sólo el valor rms de la amplitud

de una señal alterna cuando su frecuencia se encuentra dentro de un determinado rango.

Existen dos tipos de medidores de valor rms: medidor de rms verdadero y medidor de rms

senoidal. El primero proporciona una medición directa del valor rms de cualquier señal

alterna, el segundo sólo proporciona la medición directa del valor rms para señales senoidales.

Si el medidor utilizado para medir señales distintas de la senoidal es del segundo tipo, debe

aplicarse un factor de corrección para obtener la medición correcta.

El instrumento más útil para la medición y análisis de señales alternas complejas es el

osciloscopio, el cuál es un instrumento que permite visualizar en una pantalla señales de

voltaje (sólo voltaje) en función del tiempo. Con el osciloscopio es posible realizar mediciones

de amplitud valor pico y pico-pico y del período T en forma directa, es posible también medir

el defasamiento de dos señales y conocer si la señal medida tiene componente de CD y su

valor. Con la ayuda de circuitos simples externos, el osciloscopio también puede realizar una

gran variedad de funciones muy útiles en el análisis de circuitos y componentes electrónicos.







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3.- Describa en forma muy general la operación del osciloscopio.

Otro instrumento de gran utilidad en el análisis de circuitos eléctricos y electrónicos es el

generador de funciones. Este instrumento produce al menos tres tipos de señales periódicas:

senoidal, triangular y cuadrada, con amplitud y frecuencia variables y con la posibilidad de

añadir una componente de CD de cualquier polaridad a la señal proporcionada. El generador

de función sólo produce señales alternas de voltaje.

4.- Describa en forma muy general la operación del generador de funciones

DESARROLLO EXPERIMENTAL

5.- Ajuste la salida de generador de funciones para obtener a su salida una señal senoidal en

forma continua con amplitud de 4Vpp = 2Vp y frecuencia de 1KHz sin componente de CD.

Mida la amplitud de la señal con el osiloscopio y con el multímetro en su función de voltaje de

CA. ¿el valor rms medido con el multímetro corresponde a su cálculo del punto 2?. Mida con

el osciloscopio el período de la señal, ¿cuál es su frecuencia?

6.- Repita el paso 5 para una señal triangular

7.- Repita el paso 6 para una señal cuadrada

8.- Escoja cualquier señal a la salida del generador y varíe su frecuencia. Observe la variación

de la señal mostrada en la pantalla del osciloscopio.

9.- Escoja cualquier señal a la salida del generador y añádale una componente de CD, varíe el

valor de ésta componente y observe las variaciones en el osciloscopio con el acoplamiento de

entrada de éste en CA y en CD. Comente sus observaciones.

10.- Comente sus observaciones respecto al desarrollo de la práctica.

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