2016495 Informe Laboratorio N° 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
Angélica Chitiva Reyes
Electrónica
Análoga
Manejo de equipos: medición y características de
circuitos eléctricos
Boyacá. Yeison, Rosas. Jhonatan, Sierra. Michel.
[email protected] , [email protected] , [email protected]
Abstract — Electronics as a discipline has the
fundamental process for measurements of different data
and characteristics of the circuits and equipment. The
development of practice mainly measuring voltages and
impedances will be on different circuits, which, in turn,
have signs of various shapes and sizes.
The signs in this case are outgoing waves from a team
called signal generator, which allows you to change the
different variables that has a signal such as frequency,
amplitude and type of signal. Throughout the document
can see through mathematical calculations and formulas
values ideals at the time of the measurements as RMS
Voltage and medium voltage values, depending on the
type of signal.
Keywords — Impedance, Middle Value, Oscilloscope,
Potentiometer, RMS, Signal.
Resumen — La electrónica como disciplina tiene el
proceso fundamental de realizar mediciones de diversos
datos y características de los circuitos y equipos. Para el
desarrollo de la práctica principalmente se encontrará
la medición de tensiones e impedancias en diversos
circuitos, que a su vez cuentan con señales de diversas
formas y tamaños.
Las señales en este caso son unas ondas salientes de
un equipo llamado generador de señales, el cual permite
cambiar las diferentes variables con las que cuenta una
señal como lo son frecuencia, amplitud y tipo de señal.
A lo largo del documento podrá observar mediante
cálculos matemáticos y fórmulas los valores ideales al
momento de la medición como los valores de tensión
RMS y medio dependiendo el tipo de señal.
clave — Impedancia, Osciloscopio,
Potenciómetro, Señal, Valor eficaz, Valor medio.
Palabras
I.
Introducción
M
ediante el desarrollo teórico de los resultados
de la práctica, se entenderá la divergencia en
mediciones de equipos cuando se maneja una misma
variable de medición, en el desarrollo de la práctica
se realizaron mediciones con tres equipos
electrónicos: multímetro digital, multímetro digital
True RMS y osciloscopio. Es común afirmar que los
tres equipos de medida deben dar el mismo resultado
si se habla de una sola variable de medición; mediante
tablas y datos de mediciones realizadas se observara
que la hipótesis o suposición hecha inicialmente es
falsa. Además se desarrollara y observara el concepto
de valor de voltaje medio y valor de voltaje eficaz en
una señal, ya sea de tipo sinusoidal, cuadrada o
triangular.
Además, se determinara las impedancias de
salida de un generador de señales, la impedancia de
entrada de un circuito y la impedancia de entrada de
un equipo de medida como lo es el osciloscopio.
Posteriormente se confrontaran los datos teóricos
anteriormente hallados mediante cálculos con los
resultados de mediciones hechas en la práctica.
II. Marco teórico
1.
Osciloscopio
Es un instrumento de visualización electrónico
para la representación gráfica de señales eléctricas
que pueden variar en el tiempo. Presenta los valores
de las señales eléctricas en forma de coordenadas en
una pantalla. La imagen así obtenida se llama
oscilograma. Los osciloscopios, clasificados según
su funcionamiento interno, pueden ser tanto
1
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analógicos como digitales, siendo el resultado
mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos, en
teoría. En un osciloscopio existen, básicamente, dos
tipos de controles que son utilizados como
reguladores que ajustan la señal de entrada y
permiten, consecuentemente, medir la pantalla y de
esta manera se puede ver la forma de la señal medida
por el osciloscopio, esto denominado en forma
técnica se puede decir que el osciloscopio sirve para
observar la señal que quiera medir. [1]
Electrónica
Análoga
2.
Generador de señales
Imagen 2, Generador de señales [4]
Es un dispositivo electrónico de laboratorio que
genera patrones de señales periódicas o no periódicas
tanto analógicas como digitales. Se emplea
normalmente en el diseño, prueba y reparación de
dispositivos electrónicos; aunque también puede
tener usos artísticos.
Imagen 1, Osciloscopio análogo [2]
En un osciloscopio existen, básicamente, dos tipos de
controles que son utilizados como reguladores que
ajustan la señal de entrada y permiten,
consecuentemente, medir en la pantalla y de esta
manera se puede ver la forma de la señal medida por
el osciloscopio, esto denominado en forma técnica se
puede decir que el osciloscopio sirve para observar la
señal que quiera medir. Para medir se le puede
comparar
con
el
plano
cartesiano.
El primer control regula el eje X (horizontal) y
aprecia
fracciones
de
tiempo
(segundos,
milisegundos, microsegundos, etc., según la
resolución del aparato). El segundo regula el eje Y
(vertical) controlando la tensión de entrada (en
Voltios, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo
de
la
resolución
del
aparato).
Estas regulaciones determinan el valor de la escala
cuadricular que divide la pantalla, permitiendo saber
cuánto representa cada cuadrado de ésta para, en
consecuencia, conocer el valor de la señal a medir,
tanto en tensión como en frecuencia. (En realidad se
mide el periodo de una onda de una señal, y luego se
calcula la frecuencia). [3]
Hay diferentes tipos de generadores de señales según
el propósito y aplicación que corresponderá con el
precio. Tradicionalmente los generadores de señales
eran dispositivos estáticos apenas configurables, pero
actualmente permiten la conexión y control desde un
PC. Con lo que pueden ser controlados mediante
software hecho a medida según la aplicación,
aumentando la flexibilidad.
El generador de señales es un elemento para generar
diferentes formas de onda y puede ser utilizado en
circuitos de instrumentación, de sonido y de
comunicaciones, también en un instrumento
generador de funciones, empleado un simple circuito
integrado. Estos equipos pueden generar ondas
sinusoidales, cuadradas, triangulares, rampa, y pulsos
en un oscilador controlado por voltaje. [5]
3.
Multímetro
También denominado polímetro o tester, es un
instrumento eléctrico portátil para medir directamente
magnitudes
eléctricas
activas
como corrientes y tensiones y/o pasivas
como resistencias, capacidades y otras.
Un multímetro es un dispositivo que combina
diferentes pruebas electrónicas y herramientas de
medición. Un multímetro básico mide la resistencia,
2
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
Valor medio: Se llama valor medio de una
tensión o corriente alterna a la media
aritmética de todos los valores instantáneos
medidos en un cierto intervalo de tiempo, para
hallar el valor medio se usa la siguiente
expresión:
el voltaje y la corriente. Los modelos más avanzados
pueden medir la capacitancia, la inductancia y la
temperatura. Estos también pueden ser capaces de
medir la frecuencia y el ciclo de trabajo (una medida
en relación a los sistemas de impulsos, tales como las
redes de fibra óptica).
𝑉𝑚𝑒𝑑 =
2𝑉0
𝜋
Ecuación 2, Ecuación para hallar el voltaje medio de
una señal [8]
5.
Imagen 3, Multímetro digital con sus respectivos
electrodos [6]
Los multímetros analógicos suelen ser más baratos
que los digitales, pero menos precisos. Al leer la
pantalla de marcación del medidor analógico se puede
malinterpretar la posición de la aguja. La aguja
también se debe ajustar en la posición de cero
manualmente, lo que puede dar lugar a errores. Es
necesario reducir y establecer el rango para cada
medición, potencialmente resultando en errores de
escala. Los multímetros digitales suelen evitar esto
con un buscador de rango automático. [7]
4.

Valor medio y RMS
Valor eficaz o RMS: Es el valor que tendría una
corriente continua que produjera la misma
potencia que dicha corriente alterna, al aplicarla
sobre una misma resistencia, para hallar el valor
de la tensión eficaz se usa la siguiente ecuación:
𝑡(0+𝑇)
𝑉𝑒𝑓𝑓
1
=√ ∫
𝑇
𝑣 2 (𝑡)𝑑𝑡
𝑡(0)
Impedancia
Es la medida de oposición que presenta un
circuito a una corriente cuando se aplica una tensión.
La impedancia extiende el concepto de resistencia a
los circuitos de corriente alterna (CA), y posee tanto
magnitud como fase, a diferencia de la resistencia,
que sólo tiene magnitud. Cuando un circuito es
alimentado con corriente continua (CC), su
impedancia es igual a la resistencia; esto último puede
ser pensado como la impedancia con ángulo de fase
cero. [9]
6.
Ciclo útil de una señal
Relación entre el valor promedio del pulso en un ciclo
y el valor pico del pulso ya que estos dos valores se
relacionan en forma inversa de sus tiempos de
duración, también se puede ver como la relación que
existe entre el tiempo en que la señal se encuentra en
estado activo y el periodo de la misma. Su valor se
encuentra comprendido entre 0 y 1, y viene dado por
la siguiente expresión:
𝐷=
𝑡
𝑇
Donde:
 D: Ciclo de trabajo
 t: Duración donde la función está en nivel alto
(normalmente cuando la función es mayor que
cero);

T: Periodo de la función. [10]
Ecuación 1. Ecuación para hallar el valor eficaz de una
señal
3
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III. Metodología






Para poder desarrollar la práctica número 1, se
realizaron
las
debidas
consultas
para
familiarizarse con los términos y elementos a
conocer.
Buscando la facilidad de llevar a término la
práctica, se realizaron tanto las simulaciones
como los montajes de los diferentes circuitos
propuestos en la guía, incluidos los cuatro pares
de conectores caimán-caimán.
La práctica estaba diseñada para realizarse en dos
partes, la primera consistía en un reconocimiento
de cómo utilizar el generador de señales y el
osciloscopio, además de fortalecer y entender el
análisis teórico basado en integrales.
El desarrollo de la primera práctica requirió de los
siguientes materiales:
o 1 Osciloscopio de 2 Canales.
o 1 Generador de señales con resistencia de
salida de 50 Ω.
o 2 Multímetros Digitales (uno de ellos True
RMS).
o 3 Sondas.
o Potenciómetros de 500Ω, 10KΩ, 3MΩ
o Resistencias de 50Ω, 5KΩ, 10KΩ.
Se comenzó generando cada una de las señales de
la siguiente lista y realizando las mediciones de
Valor eficaz, valor medio tanto en el osciloscopio
como en los 2 multímetros:
o Sinusoidal simétrica de 4 Vpp a frecuencia
de 100 Hz
o Cuadrada simétrica de 3 Vpp a frecuencia de
200 Hz
o Triangular de 6 Vpp a frecuencia 200 Hz
o Sinusoidal de 4 Vpp, nivel D.C. 1V a
frecuencia 500 Hz
o Cuadrada de 5 Vpp, nivel D.C. 5V a
frecuencia de 120 Hz
o Triangular de 6 Vpp, nivel D.C. 3V,
frecuencia de 400 Hz
Para que el análisis correspondiente que continúa
tenga completo sentido, las señales anteriores se
deberán representar por medio de integrales,
hallando su valor medio y su valor eficaz, este
procedimiento se debe realizar previamente a la
práctica. Realizado el procedimiento anterior, se
procede a comparar resultados, basándonos en los
valores tomados anteriormente.
Electrónica
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 Se eligió una señal de la anterior lista con la única
condición que el valor DC sea diferente de cero,
posteriormente se varió 12 veces la frecuencia y
se tomaron otra vez los valores de Voltaje RMS y
Voltaje medio con los tres equipos de medida,
estas variaciones debían estar en el rango 10Hz y
1MHz.
 Para concluir la primera parte de la práctica se
toma una señal de 10Vpp con nivel DC de cero
voltios y frecuencia de 1KHz cuyo ciclo útil sea
de 50% y se mide el valor medio y el valor eficaz,
estas mismas mediciones se toman de nuevo para
la misma señal pero con un ciclo útil de 75% y se
consignan sus valores en la bitácora.
 Para realizar la segunda parte de la práctica, se
realizaron tres montajes previos a la clase.
 Utilizando el generador de funciones con
impedancia de salida nominal de 50 Ω, se generó
una señal sinusoidal de 4 Vpp a 100 Hz. Luego se
aplicó dicha señal al circuito. Se varió lentamente
el potenciómetro en el circuito, visualizando y
midiendo la tensión de salida en el osciloscopio
hasta lograr que la señal fue de 2Vpp. Este
procedimiento se llevó a cabo para comprobar que
la resistencia dada por el potenciómetro sea
aproximadamente la misma que la impedancia del
generador de señales
 Para el segundo circuito se realizaron las
respectivas mediciones con el fin de encontrar la
impedancia de entrada de ese circuito, para esto se
tomó el generador de señales con una impedancia
de salida nominal de 50Ω y se generó una señal
sinusoidal de 4Vpp a 100Hz, se varió lentamente
el potenciómetro hasta que la señal de salida
mostrada en el osciloscopio fue de 2Vpp.
 Por último para el tercer circuito se medió la
impedancia de entrada a un osciloscopio, tomando
el generador de señales generamos una señal
sinusoidal de 4 Vpp a 100 Hz. Al tener bien
conectados los dispositivos, se varió lentamente el
potenciómetro del circuito hasta que la señal
medida en el osciloscopio fue de 2 Vpp.
IV. Circuitos
Circuitos de la segunda parte práctica:
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M1*
VRMS Vmed
M2*
VRMS Vmed
OSC*
VRMS Vmed
1
1,363
0,103
1,264
0,103
1,39
2
1,502
0,045
1,366
0,009
1,40
3
1,634
0,101
1,697
0,102
1,73
4
5
6
1,348
0,977
1,355
0,979
1,74
33,5
mV
25,7
mV
27,9
mV
1,04
2,634
5,070
2,386
5,077
5,44
4,97
1,639
2,766
1,689
2,773
3,50
3,02
No.
Circuito 1, circuito para medir impedancia de salida de
un generador de señales.
*Medidas en Voltios
**M1: Multímetro RMS, M2: Multímetro True RMS,
OSC: Osciloscopio.
Tabla 1, Medición señales con multímetros y
osciloscopio
Señal elegida: Triangular de 6 Vpp, nivel D.C. 3V.
Circuito 2, circuito para medir impedancia de entrada de
un circuito.
Anexo 1.
Señal cuadrada de 10 Vpp con nivel DC 0C,
frecuencia 1KHz:
Ciclo útil 50%:
Valor medio:
Valor RMS:
Circuito 3, circuito para medir impedancia de entrada de
un osciloscopio.
5,79 mV
5,15 V
.
.
Ciclo útil 75%:
Valor medio:
Valor RMS:
2,56 V
5,16 V
.
.
V. Tablas y resultados
Parte II de la práctica: Medición de impedancias.
Medición con multímetros y osciloscopio de señales
generadas:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Sinusoidal simétrica de 4 Vpp a frecuencia
de 100 Hz.
Cuadrada simétrica de 3 Vpp a frecuencia de
200 Hz.
Triangular de 6 Vpp a frecuencia 200 Hz.
Sinusoidal de 4 Vpp, nivel D.C. 1V a
frecuencia 500 Hz.
Cuadrada de 5 Vpp, nivel D.C. 5V a
frecuencia de 120 Hz.
Triangular de 6 Vpp, nivel D.C. 3V,
frecuencia de 400 Hz.
Circuito I. Señal sinusoidal 4Vpp a 100Hz.
Potenciómetro:
49Ω
.
Circuito II. Señal sinusoidal 4Vpp a 100Hz.
Potenciómetro:
3,36KΩ
.
Circuito III. Señal sinusoidal 4Vpp a 100Hz.
Potenciómetro:
1,029MΩ
.
5
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
Los valores obtenidos en las mediciones con los dos
multímetros son muy parecidas especialmente la de
voltaje medio y son acordes a los cálculos realizados,
en relación al voltaje RMS se evidencia que existe una
caída pequeña de voltaje en su magnitud en el
multímetro True RMS debido a lo exacto que llega a ser
utilizando tanto los coeficientes de Fourier como los
armónicos de la señal, además de tener mayor precisión
permite medir valores más pequeños que el RMS.
VI. Análisis de resultados
Se obtuvieron unos resultados satisfactorios durante
la práctica. Se pudo comparar los datos resultantes en
los circuitos montados con los cálculos y de esta
comparación pudimos notar que los cálculos
corresponden a los valores medidos y/o estimados, se
observa una diferencia entre las medidas de los dos
multímetros respecto al osciloscopio y un hecho
importante este tipo de circuitos es no olvidar la
resistencia interna con la que cuenta cada uno de estos
equipos de medida.
Las ondas visualizadas en el osciloscopio del
generador de funciones correspondieron a las
esperadas, aunque se presenciaron pequeños
problemas con las sondas del laboratorio se puedo
desarrollar de manera recursiva y efectiva la práctica.
Se evidencio como la frecuencia en la mayoría de
casos no afecta la salida de la señal ya que los valores
estimados dieron muy cercanos a excepción de las
frecuencias de gran magnitud, donde se evidencio una
caída de voltaje, estas medidas disminuyeron en los
tres elementos de medida para frecuencias mayores a
10 000 Hz.
¿Por qué cuando midieron la impedancia de salida
del generador de señales omitieron la impedancia de
entrada del osciloscopio medidor?

Porque los valores son tan altos que se pueden
considerar como un circuito abierto, por tal razón
pueden omitirse. Ya que la impedancia del
osciloscopio esta del orden de los mega ohmios
mientras que la impedancia de los generadores es
de 50 ohmios, lo que hace que las magnitudes no
sean comparables.
¿Por qué la impedancia de entrada del canal de un
osciloscopio es tan alta (en el orden de los MΩ)?

VII. Respuestas a las preguntas sugeridas
¿Cómo es la energía de la señal generada con ciclo
útil de 75% comparada con la señal de ciclo útil de
50%?

La señal con un 75% de ciclo útil se observa con un
valor mucho mayor de voltaje medio debido a que la
fracción de tiempo en la que la señal es mayor a 0V es
mayor respecto a la señal que posee 50% de ciclo útil,
además de ello cabe resaltar que al no cambiar ninguna
otra condición el valor del voltaje eficaz será el mismo
ya que está fluctuando entre los dos mismos valores y
se hace una distribución igual. Por eficiencia se califica
mejor a la señal de 50% debido a que necesita menos
energía para la producción de los pulsos de la señal.
¿Qué concluyen con respecto a la medición del valor
RMS, realizada con los multímetros?
Una impedancia alta evita que se modifiquen en
gran medida las características primordiales del
circuito. Por eso al conectar el osciloscopio se
busca que no se modifique el equivalente de la
impedancia del circuito, además con esta
impedancia grande podemos medir pequeñas
señales.
¿Por qué cuando midieron la impedancia de entrada
del osciloscopio omitieron la impedancia de salida
del generador de funciones?

Porque se utilizaron como referencia
resistencias de grandes valores comparadas con
la del generador, facilitando que el valor de la
impedancia del generador se desprecie. Ya que
las impedancias quedaban en serie y era la de del
generador (pequeña) comparada con la de los
potenciómetros y la del osciloscopio
(grandes).[11]
Con el fin de alterar en la menor manera posible el
comportamiento de un circuito electrifico cuando se
6
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practica una medición de corriente, entonces ¿La
impedancia de un Amperímetro debe ser de un valor
alto o de un valor bajo?

Los amperímetros son de muy baja impedancia ya
que de ser alta impedancia entonces el mismo
amperímetro reduciría bastante la corriente que
circula por el circuito y daría una medición falsa
gracias al efecto de carga.
VIII. Conclusiones
1.
2.
3.
4.
Los multímetros TRUE RMS nos permiten tener
un valor más exacto debido a que calcula los
valores por medio matemático, mientras que los
demás asumen una onda genérica como sinusoidal
para realizar las mediciones.
Los multímetros tienen un ancho de banda
determinado por este motivo a frecuencias muy
altas la variación en los datos tomados es muy
extraña debido a que a esas frecuencias el equipo
no es recomendable para medir.
Para nuestras aplicaciones es importante conocer
las impedancias de entrada y de salida de los
circuitos, además de conocer que tanto hace variar
los elementos de medida la impedancia
equivalente de los circuitos.
En
la
práctica
pudimos
observar
el
comportamiento de los valores RMS, DC, valores
pico y compararlos con los calculados
teóricamente, en donde vemos una pequeña
desviación. Esto se debe a la incertidumbre de los
equipos al momento de realizar la medición.
Electrónica
Análoga
[2] Imagen
disponible
en:
http://www.totaltest.com.mx/es/components/com_
virtuemart/shop_image/product/BK_Precision_219_
4ce2d78f61b79.jpg.
[3] Onuba
electrónica,
SFP,
http://www.onubaelectronica.es/osciloscopio.htm
[4] Imagen
disponible
en:
http://www.totaltest.com.mx/es/components/com_
virtuemart/shop_image/product/Generador_de_se_
_4d308027e3e82.jpg
[5] Generador
de
señales
Blog,
SFP,
http://generadordesenales.blogspot.com/2013/10/g
enerador-de-senales.html
[6] Imagen disponible en: http://www.fervi.com/cgibin/catalogo/23/3_image1.jpg
[7] Edwards. C, Traducido por González. C, SFP,
http://www.ehowenespanol.com/partes-funcionesmultimetro-info_362171/
[8] UCO, SFP, “Valor medio y valor eficaz”,
http://www.uco.es/grupos/giie/cirweb/teoria/tema_01
/tema_01_06.pdf
[9] Análisis de circuitos de corriente alterna Blog, Marzo
20
de
2015,
http://analisiscircuitoscorrientealterna.blogspot.com/2
015/03/unidad-ii-analisis-de-circuitos-de.html
[10] Club ensayos “ciclo de trabajo (duty cycle) de las
ondas”,
SDA,
SFP,
https://www.clubensayos.com/Ciencia/CICLO-DETRABAJO-DUTY-CYCLE-DE-LASONDAS/275461.html
[11] Scribd
Beltra.
D,
SFP,
https://es.scribd.com/doc/262769751
IX. Publicaciones
Este informe se encuentra publicado en la página
web: http://tatanrosas.jimdo.com/unal/publicaciones
X. Referencias
[1] Equipos y laboratorio de Colombia, SFP,
http://www.equiposylaboratorio.com/sitio/contenid
os_mo.php?it=1484
7
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Anexo 1
Frecuencia (Hz)
Multímetro 1*
VRMS
Vmed
1,642
2,770
1,636
2,771
1,634
2,771
1,629
2,771
1,625
2,772
1,639
2,766
1,613
2,772
1,468
2,772
0,660
2,773
0,123
2,770
0,080
2,772
0,002
2,757
Multímetro 2*
VRMS
Vmed
1,704
2,776
1,700
2,774
1,697
2,774
1,693
2,774
1,688
2,774
1,689
2,773
1,681
2,775
1,581
2,775
0,929
2,775
0,330
2,774
0,020
2,770
0,004
2,760
49
163
200
266
320
400
1000
2500
10000
31250
109600
740000
*Medidas en Voltios
**M1: Multímetro RMS, M2: Multímetro True RMS, OSC: Osciloscopio.
MS, M2: Multímetro True RMS, OSC: Osciloscopio.
Osciloscopio*
VRMS
Vmed
3,50
3,08
3,50
3,02
3,51
3,04
3,51
3,01
3,51
3,05
3,50
3,02
3,52
3,02
3,50
3,03
3,50
3,02
3,47
3,03
3,34
3,02
3,81
3,01
Tabla 2, Cambio de frecuencia con una misma señal, medición de Vrms y Vmed
8