IEE2482 Laboratorio de Electrónica Guía Experiencia Nº 1

Pontificia Universidad Católica de Chile
Escuela de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Eléctrica
IEE2482 Laboratorio de Sistemas Digitales
IEE2482 Laboratorio de Electrónica
Guía Experiencia Nº 1
1.
2.
Objetivos.- Revisar algunos conceptos de circuitos como impedancia de entrada Zi; impedancia de salida
Zo; tensiones y corrientes en entrada Vi, Ii; tensiones y corrientes de salida Vo, Io; tensiones y corrientes de
fuente Vcc, Icc, Vdd, Idd; tensiones y corrientes máximas Vmax, Imax. Conocer en la práctica los efectos de
estos parámetros al interconectar circuitos y practicar métodos adecuados de medición según sus valores
absolutos. Adicionalmente es preciso comprender claramente el modo en que los componentes e
instrumentos se desvían de sus modelos ideales.
Descripción.- Un primer concepto a desarrollar, es el significado práctico que tiene el valor absoluto de las
diferentes magnitudes físicas involucradas: tensiones, corrientes, impedancias, frecuencias, potencia,
temperaturas, etc., respecto de la dificultad de medición, del riesgo de dañar algún componente o
instrumento, o del peligro que representa para el que interviene en el circuito.
Debe tenerse presente que, salvo los valores que implican peligro, los umbrales dependen también del
contexto. En este caso nos referimos a valore típicos generalmente presentes en el Laboratorio de
Electrónica. Es claro que corrientes de 100 mA pueden dañar varios de los elementos de uso común en el
labotarorio, pero en una cierta industria, el rango alto de corrientes podría ser sobre 25 A, y en una
subestación eléctrica podría comenzar en los 1000 A.
En la tabla que sigue se muestra alguno de estos conceptos:
Parámetro
Rango Bajo
Rango Medio
Rango Alto
Tensión
< 0.1 V
0.1 … 50 V
Diversas fuentes de ruido interfieren con Es fácilmente medible. Algunos
la medición. Se debe tomar precauciones componentes no toleran tensiones
especiales para minimizar el ruido.
mayores de 15 V.
> 50 V
Se requiere componentes especiales que
toleren estas tensiones. Sobre 50 V
comienza el peligro para los humanos.
Corriente
< 1 mA
1 … 100 mA
Diversas fuentes de ruido interfieren con Generalmente la corriente se medirá en
la medición. Se debe tomar precauciones forma indirecta.
especiales para minimizar el ruido.
Generalmente la corriente se medirá en
forma indirecta insertando una
resistencia que no perturbe mayormente
el circuito y que produzca una caída de
tensión suficiente.
> 100 mA
Generalmente la corriente se medirá en
forma indirecta, aunque puede ser
complicado encontrar resistencias de
valor menor a 1 Ohm.
> 1A
Puede dañar instrumentos, quemar
fusibles o quemar conductores delgados.
Resistencia
< 0.5 K
Estimar siempre la potencia disipada.
Las resistencias típicas son de 0.3 o 0.5
Wmax. No superar Wmax / 2.
> 50 K
Estimar siempre la potencia disipada.
Las resistencias típicas son de 0.3 o 0.5
Wmax. No superar Wmax / 2.
Capacidad
< 100 pF
Un trozo de cable coaxial, el Gate de un
CMOS tienen capacitancias del orden.
Potencia
< 30 mW
Generalmente todos los dispositivos
estándar pueden manejar bién esta
potencia.
30 mW … 1 W
Sobre esta potencia los dispositivos
pueden ser dañados si no están
fabricados ad-hoc.
>1W
Para disipar 1 W sin aumento
considerable de la temperatura debe usar
disipador de calor.
Temperatura
< 0º C
Muchos semiconductores no están
diseñados para operar en este rango de
temperaturas. Rangos ampliados en uso
Industrial y Militar.
0º … 75º C
Esta temperatura en el exterior de un
semiconductor implica un valor cercano
a 125º en la juntura. Siempre estimar Tj
con potencias > 30 mW.
> 75º C
Requiere cálculo detallado de Tj.
Además hay riesgo de daño a
componentes cercanos y de quemadura a
los humanos.
Frecuencia
< 5 Hz
Generalmente la operación de los
instrumentos es deficiente en este rango
de frecuencia.
5 Hz … 100 Khz
Es un rango relativamente fácil de
controlar.
> 100 Khz
Comienza a aperecer una serie de
fenómenos derivados del tamaño físico
de los elementos. Un trozo de cable
presenta un valor inductivo y parece
antena o línea de transmisión.
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0.5 … 50 K
Estimar siempre la potencia disipada.
Las resistencias típicas son de 0.3 o 0.5
Wmax. No superar Wmax / 2.
100 pF … 10 uF
> 10 uF
Capacidades de este orden pueden
almacenar cargas importantes.
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Se puede decir que habrá dificultades de medición si estamos usando las escalas del extremo inferior, riesgo
para los componentes en las escalas intermedias y peligro si las del extremo superior de cualquier
instrumento estándar de laboratorio. Así mismo, debe tenerse presente la forma en que la conexión de un
instrumento de medición perturba y altera el circuito que se quiere medir.
3.
Trabajo Previo.-
Generador
Circuito
Zo
Zo
Vg Vg Io
Vi Zi f
Vo
Vf
Io
Vo
Osciloscopio
ZL
Fase
Neutro
Tierra
Zi
Fuente
V
V+
Fase
Neutro
Tierra
3.1
A
GND
V-
Fase
Neutro
Tierra
Comentarios.- En la figura se muestra una situación típica de trabajo en el laboratorio: un circuito en
desarrollo o prueba, alimentado por una fuente de poder, exitado por un generagor de señales y medido por
un osciloscopio. Multímetro u otro instrumento.
Debemos recordar que todo elemento tiene impedancias de salida ≠ 0 e impedancias de entrada < ∞ . El
efecto derivado es que al interconectar dos elementos Zo y Zi producen un divisor de tensión que
altera la magnitud y fase de la señal que se quiere propagar. Del mismo modo, un instrumento
también puede alterar el circuito al conectarlo para medir. Esto es particularmente notable cuando
estamos en presencia de impedancias o frecuencias altas.
Es frecuente que los alumnos prefieran usar un trozo de cable coaxial en lugar de la punta de medición
propia del osciloscopio sin considerar que el cable aporta unos 50 pF de carga, los que a 300 Khz
equivalen a una reactancia capacitiva de 10 K. Recordemos que una onda cuadrada está definida por
una serie de Fourier del tipo Vdc + sin(x) + 1/3 sin(3x) … 1/(2n-1) sin((2n-1)x) + … entonces es fácil
tener componentes relevantes de frecuencia sobre 100 Khz.
La forma típica de medir corriente es calculándola como caída de tensión en una resistencia conocida.
Si nos referimos a la figura, asumiendo que conocemos el valor de Z L, Se puede medir la tensión
usando un osciloscopio, pero es necesario tener mucho cuidado con la forma de conectarlo. Algunos
instrumentos permiten aislar la tierra de señal de la tierra de alimentación de 220 V dejándolos
flotantes, lo que es deseable en el caso de los osciloscopios, ya que si todos los instrumentos están
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conectados a tierra de alimentación de 220 V y se conecta el caimán al punto superior de ZL y la
punta de medición a tierra, estaremos cortocircuitando ZL y probablemento se dañará uno o más
elementos del circuito. Del mismo modo, no podríamos medir la tensión a travéz de Zo ya que de
cualquier forma que conectáramos el osciloscopio produciríamos un cortocircuito a tierra del punto en
contacto con el caimán. Si es necesario aislar un instrumento que no tiene interruptor para dejarlo
flotante se puede usar un enchufe triple al que se le ha removido la pata de tierra (central).
Al trabajar con frecuencias > 10 Khz, con circuitos en los que hay señales pequeñas y otras de mayor
corriente se debe tomar precauciones para minimizar el ruido. Una fuente importante de ruido es la
circulación de corrientes de alta frecuencia o significativas > 100 mA en los cables de alimentación.
Debe evitarse el unir todas las tierras de los equipos en los bornes de instrumentos y fuentes. La
forma más adecuada es unir las tierras de las fuentes en el retorno de las corrientes más fuertes en el
equipo en desarrollo, dejando las fuentes unidas a la tierra de alimentación de 220 V; unir la tierra del
generador de señales en la referencia de la entrada al sistema con el generador flotante y dejar
flotante el osciloscopio para minimizar el ruido y la posibilidad de cortocircuito. Para evitar
cortocircuitos cuando se necesita comparar dos señales con el osciloscopio hay que fijarse en que los
caimanes de las puntas de medición se conecten en un punto con el mismo potencial y que sea de
baja impedancia en relación a la tierra de señal.
Al medir señales en puntos de alta impedancia conviene usar una punta atenuadora por 10
debidamente calibrada y seleccionando esta opción en el canal correspondiente del osciloscopio.
3.2
Prepare tablas con las características relevantes de los instrumentos que usará habitualmente en el
laboratorio incluyendo al menos los siguientes parámetros (si aplican):
3.2.1 Osciloscopio: Impedancia de entrada con punta X1 y con punta atenuadora X10. Habilidad del osciloscopio
para detectar el tipo de punta conectada. Sensibilidad máxima de canales X e Y con punta X1 y X10 en
cm/Volt. Sensibilidad mínima de canales X e Y con punta X1 y X10 en cm/Volt. Tipos de acoplamiento de
señal de canales X e Y. Frecuencia máxima de canales X e Y. Velocidad máxima y mínima de barrido en
cm/seg. Medios de disparo (trigger) interno – externo. Tierra flotante.
3.2.2 Generador de señales: Impedancia de salida. Tensión máxima de salida sin carga. Frecuencia mínima y
máxima. Tipos de ondas. Desplazamiento DC. Control de asimetría. Distorsión. Salidas digitales. Tierra
flotante.
3.2.3 Fuentes de Poder: Tensión mínima y máxima. Regulación de tensión. Fuente dividida. Corriente máxima.
Foldback. Fuente digital. Tierra flotante.
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
3.3.8
3.3.9
Asuma que dispone de un generador de señales con las características descritas en 3.2.2 con una tensión de
salida V en circuito abierto de 5 Vpp y que conecta como carga de éste un condensador C L y una resistencia
RL en paralelo. Para los siguientes valores de frecuencia f, forma de onda O, y carga C L y RL calcule y
grafique la tensión V y la corriente de salida del generador con carga:
f = 10 Hz, O = sinusoidal, CL = 0.1 µF, RL = 470 Ω.
f = 10 Hz, O = sinusoidal desplazada +2V, CL = 0.001 µF, RL = 470 Ω.
f = 10 Hz, O = cuadrada, CL = 0.1 µF, RL = 470 Ω.
f = 10 Hz, O = cuadrada desplazada +2V, CL = 0.001 µF, RL = 470 Ω.
f = 10 Hz, O = triangular, CL = 0.1 µF, RL = 470 Ω.
f = 10 Hz, O = triangular desplazada +2V, CL = 0.1 µF, RL = 470 Ω.
Calcule el valor de ZL = |CL // RL| y compárelo con la impedancia de salida del generador.
Idem a 3.3.1 hasta 3.3.7 pero con f = 10 Khz.
Idem a 3.3.1 hasta 3.3.7 pero con f = 1 Mhz.
3.4
Asuma que debe medir y caracterizar la impedancia de entrada Z I de una caja negra. Solamente se sabe que
es lineal, que el rango de operación permite señales de entrada de hasta 3 Vpp máximo y que operará en el
rango de frecuencias desde 0 Hz hasta 1 MHz. Diseñe un circuito y una estrategia de medición para
caracterizar este parámetro.
4.
En el Laboratorio.Recuerde tomar todas las precauciones descritas en 3.1.
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4.1
En relación al circuito descrito en el punto 3.3, prepare una medición usando ambos canales del osciloscopio
y efectúe las mediciones de tensión y corriente para las distintas combinaciones propuestas.
4.2
Refiérase al punto 3.4 y al rango de señales permitidas. Arme una caja negra con los valores propuestos de
R // C y por medio de mediciones caracterice ZI:
R = 330 Ω , C = 0.1 µF.
R = 330 KΩ , C = 0.001 µF.
R = 4.7 MΩ , C = 33 pF.
Refiérase al punto 3.4 y al rango de señales permitidas. Arme una caja negra con los valores propuestos de
R serie C y por medio de mediciones caracterice ZI:
R = 3.3 KΩ , C = 0.68 µF.
R = 330 KΩ , C = 0.01 µF.
R = 4.7 MΩ , C = 330 pF.
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
5.- Informe
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Presente los resultados de sus cálculos y mediciones, incluyendo todos los gráficos de Tensión y Corriente
versus tiempo incluyendo los circuitos auxiliares usados para medir.
Explique en detalle el procedimiento diseñado para caracterizar la impedancia de entrada de la caja negra
justificando cada uno de los elementos utilizados y pasos requeridos.
Comente la correlación o falta de ésta entre los valores calculados, los conocidos y los medidos.
En los puntos 4.2 y 4.3 ¿hay alguna combinación de parámetros más dificil de medir que otra? Justifique su
respuesta.
En el punto 4.2.3, ¿por qué se pide una resistencia de 4.7 MΩ y un condensador de 33 pF y no una
resistencia de 5 MΩ y un condensador de 35 pF?
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