Repblica Bolivariana de Venezuela Departamento de EnergticaAsignatura: ElectromecnicaProfesor: Ing. Jorge Garca

Medidas de variables elctricas y fasores

Estudiante: Francismer Fuentes

Objetivos dela PrcticaConocer el funcionamiento de un osciloscopio, en donde se analizaran las formas de onda a travs de circuitos de corriente alterna. En donde mediremos variabl es de voltaje y corriente.El presente informe ser desarrollado entorno a dichas variables y las diferentes mediciones que pueden establecerse a travs de un osciloscopio, donde la idea es aquella de entender ms a fondo el rgimen alterno a diferencia de aquel continuo.Adems, ser explicado el concepto de fasores para entender la utilidad de los mismos y respaldar la parte terica vista en clases, utilizando como ejemplo el voltaje de la red domstica venezolana 120V rms con frecuencia de 60Hz que es la que existe en nuestro pas Venezuela.Esta prctica tiene como propsito fundamental que entendamos el comportamiento alternno de los sistemas elctricos, y la utilidad que tiene esta en nuestra carrera si llegamos a trabajar como ingenieros de plantas, mantenimiento. Observando que la gran utilidad de estos sistemas est en la parte de los controladores o arranques de mquinas necesarias para cualquier tipo de proceso de produccin..

Aparatos y/o Equipos utilizados: Osciloscopio BK Precision 1 Inductor de 3 mH 1 Capacitor de 17 F Multimetro Digital 1 Fuente de voltaje AC Cables de conexin tipo Banana Puntas atenuadoras para osciloscopio 1 Bombillo de 40 W Halgeno.

Marco Terico

El osciloscopio es bsicamente un dispositivo de visualizacin grfica que muestra seales elctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. Qu puedo hacer con un osciloscopio? Determinar directamente el periodo y el voltaje de una seal. Determinar indirectamente la frecuencia de una seal. Determinar que parte de la seal es DC y cual AC. Localizar averas en un circuito. Medir la fase entre dos seales. Determinar que parte de la seal es ruido y como varia este en el tiempo.Por consiguiente los osciloscopios son instrumentos verstiles ya que lo puede utilizar todas las personas desde un tcnico hasta un enfermero. Un osciloscopio puede medir un gran nmero de fenmenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud fsica en seal elctrica) ser capaz de darnos el valor de una presin, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un auto, etc. Qu tipos de osciloscopios existen? Los equipos electrnicos se dividen en dos tipos: Analgicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras quie los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analgico y un Compact Disc es un equipo digital. Los Osciloscopios tambin pueden ser analgicos digitales. Los primeros trabajan directamente con la seal aplicada, est una vez amplificada desva un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analgico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la seal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta informacin en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analgicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rpidas de la seal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensin que se producen aleatoriamente). Qu controles posee un osciloscopio tpico? A primera vista un osciloscopio se parece a una pequea televisin porttil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla y el mayor nmero de controles que posee. En la siguiente figura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones: ** Vertical. ** Horizontal. ** Disparo. ** Control de la visualizacin ** Conectores. Cmo funciona un osciloscopio? Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario detenerse un poco en los procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo analgico ya que es el ms sencillo.

Osciloscopio Analgico:

Cuando se conecta la sonda a un circuito, la seal atraviesa esta ltima y se dirige a la seccin vertical. Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la seal la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente seal para atacar las placas de deflexin verticales (que naturalmente estan en posicin horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del catodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensin es positiva con respecto al punto de referencia (GND) hacia abajo si es negativa. La seal tambin atraviesa la seccin de disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de deflexin horizontal (las que estan en posicin vertical), y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El retrazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho ms rpida con la parte descendente del mismo diente de sierra. De esta forma la accin combinada del trazado horizontal y de la deflexin vertical traza la grfica de la seal en la pantalla. La seccin de disparo es necesaria para estabilizar las seales repetitivas (se asegura que el trazado comienze en el mismo punto de la seal repetitiva).Como conclusin para utilizar de forma correcta un osciloscopio analgico necesitamos realizar tres ajuste bsicos: La atenuacin amplificacin que necesita la seal. Utilizar el mando AMPL. para ajustar la amplitud de la seal antes de que sea aplicada a las placas de deflexin vertical. Conviene que la seal ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los lmites. La base de tiempos. Utilizar el mando TIMEBASE para ajustar lo que representa en tiempo una divisin en horizontal de la pantalla. Para seales repetitivas es conveniente que en la pantalla se puedan observar aproximadamente un par de ciclos. Disparo de la seal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible seales repetitivas. Por supuesto, tambin deben ajustarse los controles que afectan a la visualizacin: FOCUS (enfoque), INTENS. (intensidad) nunca excesiva, Y-POS (posicin vertical del haz) y X-POS (posicin horizontal del haz).

Osciloscopios digitalesLos osciloscopios digitales poseen adems de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos que permite almacenar y visualizar la seal.

Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital a un circuito, la seccin vertical ajusta la amplitud de la seal de la misma forma que lo hacia el osciloscopio analgico.El conversor analgico-digital del sistema de adquisicin de datos muestrea la seal a intervalos de tiempo determinados y convierte la seal de voltaje continua en una serie de valores digitales llamados muestras. En la seccin horizontal una seal de reloj determina cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.

Seal reconstruida con puntos de muestraVelocidad de muestraLos valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de seal. El nmero de los puntos de seal utilizados para reconstruir la seal en pantalla se denomina registro. La seccin de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de seal en el registro. La seccin de visualizacin recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para presentar en pantalla la seal.Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un predisparo, para observar procesos que tengan lugar antes del disparo.Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja de una forma similar a uno analgico, para poder tomar las medidas se necesita ajustar el mando AMPL.,el mando TIMEBASE asi como los mandos que intervienen en el disparo.Mtodos de muestreoSe trata de explicar como se las arreglan los osciloscopios digitales para reunir los puntos de muestreo. Para seales de lenta variacin, los osciloscopios digitales pueden perfectamente reunir ms puntos de los necesarios para reconstruir posteriormente la seal en la pantalla. No obstante, para seales rpidas (como de rpidas depender de la mxima velocidad de muestreo de nuestro aparato) el osciloscopio no puede recoger muestras suficientes y debe recurrir a una de estas dos tcnicas:1. Interpolacin, es decir, estimar un punto intermedio de la seal basndose en el punto anterior y posterior.2. Muestreo en tiempo equivalente. Si la seal es repetitiva es posible muestrear durante unos cuantos ciclos en diferentes partes de la seal para despus reconstruir la seal completa.Muestreo en tiempo real con InterpolacinEl mtodo standard de muestreo en los osciloscopios digitales es el muestreo en tiempo real: el osciloscopio reune los suficientes puntos como para recontruir la seal. Para seales no repetitivas la parte transitoria de una seal es el nico mtodo vlido de muestreo. Los osciloscopios utilizan la interpolacin para poder visualizar seales que son ms rpidas que su velocidad de muestreo. Existen basicamente dos tipos de interpolacin:Lineal: Simplemente conecta los puntos muestreados con lineas.Senoidal: Conecta los puntos muestreados con curvas segn un proceso matemtico, de esta forma los puntosintermedios se calculan para rellenar los espacios entre puntos reales de muestreo. Usando este proceso es posible visualizar seales con gran precisin disponiendo de relativamente pocos puntos de muestreo.Onda: Patrn que se repite en el tiempoTipos de ondas: Se pueden clasificar de la siguiente manera: Ondas senoidales: Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemticas muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de seales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la seal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma, las seales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de seal son tambin senoidales, la mayoria de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen seales senoidales. La seal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en fenomenos de oscilacin, pero que no se mantienen en el tiempo.

Ondas cuadradas y rectangulares: Las ondas cuadradas son bsicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensin, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de seales contienen en si mismas todas las frecuencias). La televisin, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de seales, fundamentalmente como relojes y temporizadores. Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensin permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.

Ondas triangulares y en diente de sierra: Se producen en circuitos diseados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analgico el barrido tanto horizontal como vertical de una televisin. Las transiciones entre el nivel mnimo y mximo de la seal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas. La onda en diente de sierra es un caso especial de seal triangular con una rampa descendente de mucha ms pendiente que la rampa ascendente

Pulsos y flancos escalones: Seales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan seales transitorias. Un flanco escaln indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se conecta un interruptor de alimentacin. El pulso indicaria, en este mismo ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente el pulso representa un bit de informacin atravesando un circuito de un ordenador digital tambin un pequeo defecto en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentneo). Es comn encontrar seales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones.

Medidas en las formas de onda En esta seccin describimos las medidas ms corrientes para describir una forma de onda son las siguientes: Periodo y Frecuencia Si una seal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al nmero de veces que la seal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1 ciclo por segundo. Una seal repetitiva tambin posee otro parmetro: el periodo, definindose como el tiempo que tarda la seal en completar un ciclo. Periodo y frecuencia son recprocos el uno del otro.

Voltaje: Es la diferencia de potencial elctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una seal (Vpp) como la diferencia entre el valor mximo y mnimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor mximo de una seal y masa. La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulacin de un punto sobre un circulo de 360. Un ciclo de la seal senoidal abarca los 360. Cuando se comparan dos seales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no esten en fase,o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas seales. En este caso se dice que ambas seales estan desfasadas, pudiendose medir el desfase con una simple regla de tres: Siendo t el tiempo de retraso entre una seal y otra.

FasoresLas senoides se expresan fcilmente en trminos de fasores, con los que es ms cmodo trabajar que con las funciones seno y coseno. Un fasor es un nmero complejo que representa la amplitud y la fase de una senoide. Los fasores brindan un medio sencillo para analizar circuitos lineales excitados por fuentes senoidales; las soluciones de tales circuitos seran impracticables de otra manera. La nocin de resolver circuitos de corriente alterna (ca) usando fasores la propuso originalmente Charles Steinmetz en 1893. Pero antes de definir cabalmente los fasores y aplicarlos al anlisis de circuitos, hay que familiarizarse por completo con los nmeros complejos. Un nmero complejo z puede escribirse en forma kkhhhqwwrectangular como:

donde j= raz -1 , x es la parte real de z y y es la parte imaginaria de z. En este contexto, las variables x y y no representan una posicin, como en el anlisis de vectores bidimensionales, sino las partes real e imaginaria de z en el plano complejo. No obstante, cabe sealar que existen algunas semejanzas entre la manipulacin de nmeros complejos y la de vectores bidimensionales. El nmero complejo z tambin puede escribirse en forma polar o exponencial.

Resultados obtenidos y discusinComo se hablan de 120V rms en Venezuela con una frecuencia de 60Hz, fue utilizado dicho ejemplo para comprobarlo con una fuente de voltaje AC y el osciloscopio.Con el multmetro fueron obtenidos 120,4V rms puesto que este mide valores rms, el voltaje de la fuente fue establecido con la lectura del mismo. Luego, para entender las definiciones de voltaje mximo, voltaje pico y voltaje medio, fue mostrada la onda en el osciloscopio. Inicialmente, representaba un voltaje pico diferente a 170V deduciendo que el osciloscopio no se encontraba calibrado, por ello con un simple ajuste fue logrado lo esperado, obteniendo un voltaje mximo de 340V.Por su parte, montando un circuito RLC y midiendo el voltaje con el multmetro en cada uno de los componentes presentes, fue posible demostrar la teora de los fasores. Utilizando la LKV la ecuacin presentaba una inconsistencia, donde el voltaje de entrada era menor la sumatoria de aquello consumido en cada componente. Ello se debe al hecho que el multmetro muestra la magnitud del fasor ms no el ngulo del mismo.

ConclusionesCon un simple ejemplo de la alimentacin de la red domstica venezolana fueron respaldadas a lo largo de la prctica todas aquellas definiciones tericas que surgen con la introduccin del voltaje alterno (AC). Es de suma importancia conocer a nivel general las mismas para un ingeniero. Como un ejemplo puede tomarse el comportamiento de una mquina en una industria, donde ella debe trabajar a valores del voltaje eficaz o rms. Esta podr soportar ser alimentada con un voltaje pico mas no se encontrar en el rango de valores ptimos para trabajar, pudiendo llegar a quemar la maquina en dicho caso.

La onda es un parametro que se repite en el tiempo. Existen ondas de sonido, ondas oceanicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensin. Un osciloscopio mide estas ltimas. Un ciclo es la mnima parte de la onda que se repite en el tiempo. Una forma de onda de tensin siempre se presentar con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y). La forma de onda nos proporciona una valiosa informacin sobre la seal. En cualquier momento podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo (si observamos, por ejemplo, una linea horizontal podremos concluir que en ese intervalo de tiempo la seal es constante). Con la pendiente de las lineas diagonales, tanto en flanco de subida como en flanco de bajada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro, pueden observarse tambin cambios repentinos de la seal (angulos muy agudos) generalmente debidos a procesos transitorios.

Bibliografia

Charles, Alexander y Mathew N.O. Sadiku Fundamentos de circuitos elctricos. Tercera edicin. Editorial Mac Graw Hill ao2006. https://hellsingge.files.wordpress.com/2014/03/fundamentos-de-circuitos-elc3a9ctricos-3edi-sadiku.pdf

http://prof.usb.ve/mirodriguez/osciloscopio.pdf