SOLUCIÓN AL CUESTIONARIO DE CHEQUEO

Nuestro objetivo principal en el estudio de este ciclo eléctrico (conceptos básicos, análisis de circuitos, elementos de medida entre otros) es adquirir conocimientos fundamentales para aplicarlos al proyecto planteado, el laboratorio de instrumentación; y en particular para diseñar e implementar el tablero de control de la variable caudal.

Todo es un proceso y todo proceso sigue una secuencia. Éste comienza por la parte eléctrica, porque es necesario hacer el diseño y materializar nuestra red de alimentación para los tableros de control, así mismo realizar la conexión de los diversos dispositivos de los tableros.

Para lograr este objetivo demos tener claro lo siguiente:

Concepto de voltaje:

El voltaje es la fuerza que se le aplica a los electrones para que fluyan. También llamado fuerza electromotriz, tensión eléctrica, potencial o diferencia de potencial.

Unidad de medida: voltio (v).Instrumento de medida: voltímetro.

Este concepto es clave y de gran importancia, porque lo utilizaremos constantemente en el estudio de la tecnología y para las actividades de nuestro proyecto; necesitamos fuentes de alimentación que nos permitan transferir energía para hacer funcionar dispositivos, los diferentes circuitos, elementos de medida y otros.

Forma de medir el voltaje:

Al medir el voltaje se deben seguir las siguientes recomendaciones para evitar el daño del elemento de medida:

1. Verificar que voltaje se va a medir, si es AC o DC.2. Ubicar el instrumento en la escala de mayor rango para hacer la primera

medida.3. Siempre tomar la medida en paralelo o derivación al elemento a medir.

Concepto de corriente eléctrica:

La corriente es la cantidad de electrones que fluye por un conductor en un circuito cerrado. Se representa por (I).

Unidad de medida: Amperio (A).Instrumento de medida: Amperímetro.

En todo circuito eléctrico cerrado hay flujo de electrones, el flujo es mayor o menor dependiendo de las características que tenga el circuito.

Al igual que el voltaje hay dos tipos de corriente que manejaremos con frecuencia, la corriente alterna y la corriente continua.

Forma de medir la corriente eléctrica.

Al igual que con el voltaje, para medir la corriente eléctrica debemos seguir estas recomendaciones para no dañar el instrumento de medida.Como generalmente utilizaremos multímetros, los cuales son instrumentos con los cuales puedo medir diferentes tipos de magnitudes eléctricas; para medir la intensidad de corriente debo de tener en cuenta lo siguiente:

1. Cambiar a la escala de Amperios; ya sea de AC o DC.2. En el multímetro hay que cambiar la conexión de las puntas de prueba.3. Ubicar el elemento en la escala de mayor rango para tomar la primera lectura,

después graduar a conveniencia.4. Abrir el circuito y posicionar las puntas.5. Siempre tomar la medida en serie con el elemento a medir.

Voltaje eficaz, voltaje medio y voltaje instantáneo.

Especificar el valor de tensión o corriente continua no es problema, ya que los valores de corriente continua no cambian. Por otra parte, los valores de corriente alterna tanto de tensión como de corriente, varían constantemente, de manera que no es fácil especificarlos. Para la corriente directa estos valores son distintos.

Voltaje Instantáneo: (valor de voltaje tomado en un tiempo cualquiera). Para circuitos alimentados con corriente alterna, es aquel valor de tensión o de intensidad tomado dentro de la sinusoide en un instante determinado.En corriente continua el voltaje instantáneo es igual en cualquier instante de tiempo.Para corriente directa el voltaje instantáneo es el valor tomado dentro de la forma de onda en un instante determinado.

Voltaje Medio: El valor medio de una tensión o corriente alterna es el promedio de todos los valores instantáneos durante medio ciclo, en otras palabras una alternación. Sobre un ciclo completo el voltaje medio sería igual a cero.

Vm= 0.637Vp Vp= voltaje pico. Vm: voltaje medio para una onda senoidal pura.

Para la corriente directa el voltaje medio varía de acuerdo a la forma de onda; por ejemplo la corriente directa está formada por una componente alterna y otra componente continua, entonces:

Para el caso de una rectificación de media onda:

VAC y VDC: Medidos con el voltímetro. El voltaje medio es igual a: Vm= 0.32 VpEste voltaje se mide con el téster o multímetro en la escala DC.Aproximadamente es igual al voltaje en DC que medimos.

Vm= 0.32 * 9V Vm=2.88V

Voltaje Eficaz: Es aquel valor que pueda producir los mismos efectos tanto en tensión como en intensidad sobre una resistencia, cuando se alimenta con corriente alterna o corriente continua.Conocido también como voltaje rms.Para la corriente alterna: VRMS= Vp/√(2) y se mide en voltaje VAC.

Para la corriente directa el valor rms es una suma vectorial de las medidas de voltaje AC y voltaje DC medidas con el multímetro; la onda posee ambas componentes.

VRMS= √ (VAC2+VDC

2) Para el caso anterior:VRMS= √ ((3.55V)2 + (2.89)2) VRMS= 4.58V

La corriente continua y sus usos.

La corriente continua es la no cambia su polaridad y magnitud a medida que transcurre el tiempo. Por lo tanto la forma de onda de una tensión continua será una línea recta.

Las baterías que usan los automóviles y las pilas son fuentes de corriente continua.Las utilizaremos en circuitos en los que el nivel de voltaje no cambie.

Se produce una fuente de voltaje (con un Terminal positivo y uno negativo) como una pila, una batería o una fuente de poder o convertidor.Si usted mira alrededor y piensa en los equipos electrónicos que se usan hoy en los hogares o en la industria, encontrará que todos equipos electrónicos necesitan corriente continua (CC).

Corriente directa y usos.

La corriente directa tiene componente alterna y componente continua, es decir esta compuesta de ambas. La corriente directa no tiene semiciclos negativos. Podemos utilizar la corriente directa gracias a procesos de rectificación de corriente alterna.

La salida en las fuentes de poder es corriente directa. Tiene aplicaciones en otro tipo de circuitos electrónicos alimentados con señales como las de la figura.

Resistencia.

La resistencia eléctrica (R) la podemos definir como la oposición que ejerce un material al flujo de la corriente eléctrica.Comúnmente la energía transferida a las resistencias se disipa en forma de calor.

Unidad: Ohmio (Ω).Instrumento de medida: el óhmetro.

Las resistencias se comportan igual tanto en corriente alterna como en corriente continua.

Dependiendo en el circuito que se encuentren las resistencias pueden ser divisores de voltaje o divisores de corriente.

Las resistencias se pueden asociar:

Capacitores o condensadores.

Es un dispositivo eléctrico que puede almacenar carga eléctrica por medio de un campo electrostático y liberar esta energía posteriormente.

Unidad de medida: Faradio C=q/V q=coulomb V=voltio.

Símbolo:

El Faradio es una unidad extremadamente grande, por eso utilizamos:

Microfaradio= µF= 1*10-6FNanofaradio= ηF= 1*10-9FPicofaradio= ρF= 1*10-12F

La capacitancia está determinada por:1. Él área de las placas. (A)2. Distancia entre las placas. (d)3. Tipo de dieléctrico o aislante que se utilice entre las placas.

Є0=constante dieléctrica del vacío. Єr= cte. Dieléctrica del aire.Єr= Permitividad. (Capacidad para concentrar campo eléctrico en un dieléctrico.Mientras mayor sea la Permitividad mayor es la capacitancia.

Los electrones se mueven a través del circuito y se acumulan en la otra placa; en otras palabras son succionados por la fuente.

Cuando la repulsión de los electrones es igual a la atracción del campo los electrones dejan de liberarse.

En corriente continua los capacitores se comportan como un circuito abierto; porque cuando tengo un circuito capacitivo o un condensador alimentado con corriente continua, los electrones circulan al máximo sin oposición hasta que el capacitor se carga; en ese momento la corriente cae a cero y el condensador se comporta como un circuito abierto.

Arreglos de capacitores:

Bobinas o inductores.

Son dispositivos eléctricos que almacenan energía en forma de campo magnético.Las bobinas son arrollamientos de alambre aislado entre sí, alrededor de un núcleo; el núcleo puede ser el mismo aire.El material del núcleo puede ser magnético o no magnético.

Unidad de medida: Henrio.

Símbolo:

La inductancia es la propiedad de un circuito eléctrico para oponerse a cualquier cambio de corriente en el mismo.

L= 0.4πN2µA/lN: Número de espiras.µ: Permeabilidad del núcleo.A: Área del núcleo.l: Longitud del núcleo. Factores que afectan la inductancia.

La inductancia es una característica física del conductor, pero tiene un efecto sobre el flujo de corriente.La permeabilidad es la capacidad para concentrar el campo magnético.

En un circuito de corriente continua, los únicos cambios de corriente ocurren cuando se cierra el circuito y cuando se abre.

Cuando tengo una bobina trabajando con corriente continua, esta se comporta idealmente como un corto circuito (conductor).Cuando el circuito se cierra, la corriente tiende a aumentar instantáneamente como en una resistencia, pero encuentra una oposición al cambio instantáneo en la corriente dada por la inductancia en la bobina.

Cuando hay cero oposiciones, máxima corriente el voltaje cae a cero.En este momento, en que la corriente no cambia, la inductancia no tiene efecto en el circuito.Arreglos de inductores.

Simbología.

Ley de Ohm.

La ley de Ohm establece que el voltaje a través de una resistencia es directamente proporcional a la corriente que fluye a lo largo de ésta.

V= R*IV: Voltaje. (Voltios).R: Resistencia. (Ohmios). I: Intensidad. (Amperios).

Este es el ejemplo más sencillo para expresar la ley de Ohm. Lo que si se debe tener en cuenta es cuando trabajemos con múltiplos y submúltiplos del voltaje, corriente y resistencia.

Esta es la ley fundamental de la electricidad y es muy utilizada para la resolución de circuitos eléctricos.

Leyes de Kirchhoff.

Antes de considerar estas leyes, es muy importante tener claros los siguientes términos:Nodo: Un nodo es simplemente un punto de conexión de dos o más elementos del circuito.Malla: Una malla es cualquier trayectoria cerrada a través del circuito en la cual ningún nodo se encuentra más de una vez.Rama: Es una parte del circuito que contiene sólo un único elemento.

Las leyes de Kirchhoff son completamente simples pero extremadamente importantes y muy útiles en el análisis de circuitos eléctricos.

La primera ley es la de corriente de Kirchhoff, la cual establece que la suma algebraica de las corrientes en un nodo es igual a cero.De igual forma, que la suma de las corrientes que entran en un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del nodo.

“Por esta razón es muy importante especificar en un circuito eléctrico, la magnitud y dirección de la corriente”.

Al aplicar la ley de corriente de Kirchhoff, hay que determinar los nodos principales para realizar el análisis nodal.

Nodo principal: Lugar donde concluye mas de una corriente.

La segunda ley de Kirchhoff, llamada ley de voltaje de Kirchhoff, establece que la suma algebraica a de los voltajes alrededor de cualquier malla es cero.Así como en la ley de corriente se requirió que los signos algebraicos vigilaran so las corrientes estaban entrando o saliendo de un nodo. En la ley de voltaje el signo algebraico es utilizado para vigilar la polaridad del voltaje. En otras palabras, conforme atravesamos el circuito, es necesario hacer que sumen cero los incrementos y disminuciones en el nivel de energía. Por tanto es importante vigilar si el nivel de energía se incrementa o disminuye a medida que pasamos por cada elemento.

En clase se ilustro un procedimiento básico para aplicar la ley de voltajes L.V.K. en un circuito eléctrico:

1. Corrientes de malla en el mismo sentido para todas las mallas.2. Nombrar las corrientes de malla.3. Hacer ecuaciones: FUENTES=CARGAS.

Cuando la corriente en la fuente va de (-) a (+) entonces la fuente se considera como positiva (+).

4. Corrientes de la misma malla se suman y las de otra malla se restan.Ejemplo:

El Osciloscopio.

Instrumento que permite visualizar la forma de las señales eléctricas; sólo podemos observar directamente señales de voltaje. Existen dos tipos básicamente, el digital y el análogo. El análogo utiliza una pantalla con tubos de rayos catódicos para reflejar la señal que se está midiendo. El osciloscopio digital moderno digitaliza la señal y permite un procesamiento previo a la visualización en pantalla, además permite almacenar la señal en memoria electrónica para su posterior análisis y visualización; tiene una gran cantidad de funciones adicionales como el cálculo automático de la frecuencia que facilitan el proceso de medida.

Para nuestro aprendizaje utilizaremos comúnmente el osciloscopio análogo:Es muy importante observar muy bien el osciloscopio antes de calibrarlo, e identificar cada una de sus partes. Es necesario familiarizarse con el panel frontal del osciloscopio. Todos los osciloscopios disponen de tres secciones básicas que llamaremos: Vertical, Horizontal, y Disparo; además del Control de la visualización y Conectores.

Antes de realizar cualquier medición lo primero que se debe hacer es calibrar el osciloscopio para esto se utiliza una sonda.

Sondas de medida: Es muy importante utilizar las sondas diseñadas para trabajar específicamente con el osciloscopio. Una sonda no es, un cable con una pinza, sino que es un conector específicamente diseñado para evitar ruidos que puedan perturbar la medida. Además, las sondas se construyen para que tengan un efecto mínimo sobre el

circuito de medida. Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla se utiliza un atenuador pasivo, generalmente de x10.

Antes de utilizar una sonda atenuadora 10X es necesario realizar un ajuste en frecuencia para el osciloscopio en particular sobre el que se vaya a trabajar. Este ajuste se denomina compensación de la sonda y consta de los siguientes pasos.

• Conectar la sonda a la entrada del canal I o A.• Conectar la punta de la sonda al punto de señal de compensación (La mayoría

de los osciloscopios disponen de una toma para ajustar las sondas, en caso contrario será necesario utilizar un generador de onda cuadrada).

• Conectar la pinza de cocodrilo de la sonda a masa.• Observar la señal cuadrada de referencia en la pantalla.• Con el destornillador de ajuste, actuar sobre el condensador de ajuste hasta

observar una señal cuadrada perfecta.

El osciloscopio cuenta con 2 canales CHA y CHB cada uno tiene un potenciómetro respectivo llamado VOLT/DIV. También en la parte derecha (dependiendo del osciloscopio) se puede observar otro potenciómetro llamado TIME/DIV este es para los dos canales. En la parte superior observamos varias perillas cada una con funciones diferentes entre ellas están:

• INTENSITY: Se trata de un potenciómetro que ajusta el brillo de la señal en la pantalla .Este mando actúa sobre la rejilla más cercana al cátodo del CRT (G1), controlando el número de electrones emitidos por este. debe esta en la mitad para que la onda se vea agradable. Es importante cuadrar la luminosidad e intensidad de la línea para tomar bien las medidas y para no acabar muy rápido con la vida útil de la pantalla.

• ENFOQUE: Se trata de un potenciómetro que ajusta la nitidez del haz sobre la pantalla. Este mando actúa sobre las rejillas intermedias del CRT (G2 y G4) controlando la finura del haz de electrones. Se retocará dicho mando para una visualización lo más precisa posible. Los osciloscopios digitales no necesitan este control.

• POSITION: Este control consta de un potenciómetro que permite mover verticalmente la forma de onda hasta el punto exacto que se desee. Cuando se está trabajando con una sola señal el punto normalmente elegido suele ser el centro de la pantalla. Se puede observar dos perillas, una es para el canal A y la otra es para el canal B.

• POSITON: ↔ Este control consta de un potenciómetro que permite mover hacia la derecha e izquierda horizontalmente la forma de onda hasta el punto exacto que se desee. Cuando se está trabajando con una sola señal el punto normalmente elegido suele ser el centro de la pantalla.(Para observar mejor el punto de disparo se suele mover la traza un poco hacia la derecha).

• Llave selectora (VERT MODE): nos permite escoger el canal en el que queremos trabajar CHA, CHB. En la posición DUAL se pueden observar dos ondas de las canales CHA y CHB. ADD es la suma de los valores de CHA y CHB.

• Tenemos 2 llaves selectora una para el canal CHA y otra para el canal CHB. Si se selecciona GND debe salir una línea recta. La cual siempre debe esta en toda la mitad, sobre el eje X. AC se utiliza para analizar señales de corriente alterna. DC se utiliza para analizar señales de corriente directa.

Otras recomendaciones:

• Si la línea horizontal no está paralela a la gratícula, podemos mediante un potenciómetro que se encuentra en un orificio pequeño (trace rotation), rotar la línea para que quede paralela a la misma.

• Debemos ubicar la perilla (VAR SWEP) y colocarla al máximo, para no visualizar las medidas erróneamente.

• Puede que cuando prendamos el osciloscopio no aparezca la línea, en ese caso debemos mover la perilla (time/DIV) hasta visualizarla; así como focus e intensidad dado el caso.

• Las medidas de voltaje se hacen en la parte vertical y las de periodo en la parte horizontal.

• Para visualizar la señal lo más estática posible utilizo las perillas (trig level) y (hold off) con estas perillas trato de parar la señal.

PARA REALIZAR ESTE CUESTIONARIO DE CHEQUEO SE UTILIZÓ MATERIAL ENCONTRADO EN LA INTERNET Y EN OTROS DOCUMENTOS, UTILIZADO SÓLO PARA BRINDAR UN APOYO AL APRENDIZAJE DE ESTUDIANTES.