Docente: Prof. Barrio Daniel. Curso: 6° LABORATORIO DE MEDICIONES ELECTRICAS ESPECIALIDAD: EMC

GUIA DE TRABAJO EXPERIMENTAL CON ACOMPAÑAMIENTO MEDICIÓN DE RESISTENCIAS Y CÁLCULO DE ERROR 1. JUSTIFICACIÓN Después de la completa fundamentación teórica y conceptual se procede a poner en práctica lo visto en las clases, para no sólo afianzar los conceptos, sino adquirir destrezas en la medición de variables y parámetros y el uso de dispositivos de medición, y seguir los lineamientos vistos en clase con respecto a la presentación de preinformes y de informes. Es necesario que exista una correspondencia entre lo teórico y lo práctico para ello debemos familiarizarnos con uno de los instrumentos más comunes y de mayor uso: el multímetro, pues todo Ingeniero debe conocer toda la funcionalidad que éste ofrece, sus limitaciones y alcances. Se empleará además el código de colores para determinar el valor de algunas resistencias y el multímetro para medirlas. También se llevarán a cabo mediciones de voltajes y corrientes continuas. 2. OBJETIVOS 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.

Reforzar el concepto de la ley de Ohm. Aprender a manejar el código de colores de las resistencias Aprender a medir tensiones continuas Aprender a medir corrientes continuas Calcular errores en las mediciones

3. TEORÍA Los instrumentos de medición a utilizar en el curso de la materia serán instrumentos destinados a la medición de magnitudes eléctricas. Ellos son principalmente:  Voltímetro – mide diferencia de potencial eléctrico en voltios o submúltiplos.  Amperímetro – mide intensidad de corriente eléctrica en amperio o submúltiplos.  Óhmetro – mide la resistencia eléctrica en Ohmios () o submúltiplos.

Los amperímetros y voltímetros pueden ser utilizados para mediciones en corriente continua o alterna, o ambas. Los tres instrumentos antes mencionados pueden presentarse en forma independiente o agrupados en un solo instrumento llamado Multímetro o, como se lo denomina comúnmente, Tester. En cualquiera de los casos, los instrumentos poseen un selector de escalas, para seleccionar el rango de medición. La lectura de la medida realizada dependerá del tipo de instrumento utilizado, analógico o digital. En los de aguja o analógicos, las lecturas se indican en una escala graduada y el índice indicador está compuesto por una aguja o por un fino haz de luz y en los digitales, la lectura se realiza directamente por medio de un display numérico indicador. En instrumentos de aguja el movimiento del índice indicador es, generalmente, de izquierda (cero) a derecha (máximo campo de medida o fondo de escala), salvo en el óhmetro en que el cero se encuentra a la derecha y el máximo campo se encuentra a la izquierda y vale infinito. En los voltímetros y amperímetros el cero se encuentra al principio de la escala y al final de la escala, llamado fondo de escala, le corresponde el máximo valor posible de medir en esa escala. En los óhmetros el principio de escala indica el valor de infinito y el final de escala, el cero. Como las magnitudes a medir están comprendidas en un rango muy amplio de valores, los voltímetros y amperímetros poseen un selector que nos permite escoger la escala que mejor se adecue al valor de la magnitud a medir. Esto es, el valor a medir quedará comprendido entre el cero y un valor máximo, denominado fondo de escala, que será superior al mismo. Por ejemplo: si se desea medir una intensidad de corriente de 3 A, y el instrumento posee un selector de escala con rangos entre 0 - 2 A, 0 - 5 A y 0 - 10 A, se seleccionará la escala de 0 - 5 Amp. Los valores de 2 A, 5 A, y 10 A nos están indicando el máximo valor que es posible medir en dicha escala o, su fondo de escala. De igual manera se procede en los voltímetros. En los óhmetros ocurre algo similar pero el procedimiento de lectura es un tanto diferente, a saber: por lo general, en el selector de escala de un instrumento de aguja se leerá, por ejemplo, X0,1; X1; X10; X1K, etc., estos valores no indican, como en los casos anteriores, el máximo valor a medir, sino que son factores multiplicadores de la escala. Por ejemplo, si se efectúa una medición de resistencia con el selector en la posición X1, la lectura en la escala es directa. En cambio, si el selector se encuentra en la posición X10, el valor leído sobre la escala deberá multiplicarse por un factor de 10; así, si la aguja indica 10 unidades, la magnitud medida será 10 X 10 Ohm = 100 Ohm. Algunos Multímetros (Tester) cuentan separadamente con un selector de función o tipo de magnitud a medir (voltaje, corriente, resistencia) así como con un selector de tipo de señal a medir, corriente continua (CC) o corriente alterna (AC). En otros, todas estas funciones se encuentran agrupadas en un solo selector donde, la medición de voltaje o intensidad tanto en CC como en AC, tienen cada uno su propio rango de escala en un mismo selector.

A continuación se muestra un ejemplo de un multímetro digital y algunas indicaciones básicas de medida de parámetros eléctricos.

3.1.

VOLTIMETRO

El voltímetro es un instrumento destinado a medir la diferencia de potencial (ddp) o tensión ENTRE DOS PUNTOS. La unidad de medida es el Voltio [V]. La ddp puede ser medida en CC o AC, según la fuente de alimentación utilizada.

Importante! antes de utilizar el instrumento tenga en cuenta estas instrucciones:  verificar el tipo de señal que suministrará la fuente de alimentación, y constatar que el selector de escala se encuentre en la posición adecuada, AC o DC, igual si va a medir resistencias.  Luego se debe estimar o calcular por medio analítico el valor de ddp a medir y con ello seleccionar el rango de escala adecuado, teniendo en cuenta que el fondo de escala sea siempre superior al valor a medir.  En el caso que no sea posible estimar ni calcular la ddp a medir, se deberá seleccionar la escala de mayor rango disponible y luego de obtener una medición adecuar el rango de escala, si fuera necesario.  Para el caso de instrumentos de aguja, es aconsejable que la lectura se efectúe siempre en la segunda mitad de la escala, ya que allí se comete menor error.  Cuando se debe medir en CC se deberá tener en cuenta la polaridad del instrumento, observando que para ello los cables del mismo se hallan diferenciados por su color siendo, por convención, el color rojo para la polaridad positiva y el color negro para la polaridad negativa; los bornes del instrumento están indicados con los signos (+) y (-) o COM respectivamente.  Para el caso de instrumentos de aguja (analógicos), al conectarlos con la polaridad incorrecta se observará que la aguja deflexionará en sentido contrario (de derecha a izquierda), lo que puede causar deterioro del mecanismo de medición del instrumento; para los instrumentos digitales, una inversión en las terminales de medición se muestra en el display con signo negativo  En caso de desconocer la polaridad de la fuente de alimentación, o ante cualquier duda sobre la selección de escala, consultar con el personal de laboratorio.  Cuando se vaya a medir en AC no se tendrá en cuenta la polaridad debido a que se trata de corrientes no polarizadas.

3.2.

AMPERIMETRO

Es un instrumento destinado a medir intensidad de corriente, tanto en corriente continua como en alterna. La unidad de medida es el Ampere [A] Para el manejo de éste instrumento se deberán observar las mismas precauciones que para el uso del voltímetro. 3.3.

OHMETRO

Instrumento destinado a medir valores de resistencias. La unidad de medida es el Ohm [] Este instrumento no posee polaridad. La medición de resistencia debe efectuarse siempre con al menos uno de los bornes del elemento resistivo desconectado del resto del circuito. 3.4. CONEXIONES DE LOS DISTINTOS INSTRUMENTOS: 3.4.1. VOLTIMETRO: Medición de la ddp (Caída de potencial sobre los elementos pasivos o activos). Importante: Observar la polaridad para el caso de CC. Como el voltímetro es el instrumento que se emplea para medir la diferencia de tensión entre dos puntos, SE

DEBE INSTALAR POR LO TANTO ENTRE ESOS DOS PUNTOS, EN PARALELO EL ELEMENTO QUE SE DESEA MEDIR. (Fig. 1) Según lo dicho en el párrafo anterior, un voltímetro ideal sería aquel que no dejase pasar intensidad a través de él, lo que equivale a decir que presentase una resistencia muy grande entre sus terminales (circuito abierto).

V

R

V

Fig. 1 Conexión de un voltímetro

3.4.2. AMPERIMETRO: Medición de la intensidad de corriente en el circuito. Importante: Observar la polaridad para el caso de CC. Como el amperímetro se emplea para medir la intensidad que circula a través de un elemento de un circuito, SE DEBE INSTALAR EN SERIE con el elemento cuya intensidad se desea medir. (Fig. 2) El amperímetro ideal sería aquel en el que se produjera una caída de tensión nula entre sus extremos, esto equivale a decir que presentase entre sus terminales una resistencia cero (cortocircuito). Ahora bien, siempre hay una resistencia interna asociada, lo que lleva consigo la aparición de errores en las medidas.

A R V Fig. 2 Conexión de un amperímetro 3.4.3. OHMETRO: Medición de la resistencia R. Importante: el instrumento se conecta en paralelo con el elemento resistivo a medir. El elemento resistivo NO DEBE ESTAR CONECTADO al circuito de lo contrario se puede incurrir en error en la medición, y puede destruir el instrumento. (Fig. 3)

Fig. 3 Conexión de un óhmeto

3.5. CODIGO DE COLORES DE UNA RESISTENCIA Banda 3 Multiplicador

Color

1

2

Negro Marrón

0

0

100

1

1

101

2

2

102

3 4 5 6 7 8 9

3 4 5 6 7 8 9

103 104 105 106 107 108 109 10-1 10-2

Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Gris Blanco Dorado Plateado

4 Tolerancia Tolerancia Multiplicador (No. de ceros) 2° Dígito 1° Dígito (Más significativo)

Ejemplo: Primer color – Rojo Segundo color– Negro Tercer color – Verde Cuarto color – Dorada Valor: 20 x 105 = 2 M +/- 5% 5% 10%

Se empieza a leer por el color que está más próximo de uno de los terminales, este será el primer dígito o que corresponde a la primera cifra significativa, el siguiente color corresponde a la segunda cifra, el tercer color es el factor en potencia de 10 por el cual se debe multiplicar y el último es la tolerancia. Otro ejemplo:

Ejemplo: Una resistencia tiene los siguientes colores: primera franja: rojo, segunda franja: violeta, tercera franja: rojo, cuarta franja: plata. Determinar su valor. Respuesta: Primera cifra: Segunda cifra: Tercera cifra: Cuarta cifra:

2 7 1x102 = 100 10%

R = 2,700 +/- 10% Ohm [], ó 2.7 K

4. Errores El valor real de una medida o valor promedio es la media aritmética entre todos los valores correspondientes a esa medida.

 Valor real o Valor promedio  Donde:

Xi es el valor de cada medición n es el número de mediciones

n i 1

n

Xi

(0.1)

Cuando se calcula ese valor promedio, que se toma como valor real, resulta que las diferentes medidas efectuadas son diferentes a ese valor. La diferencia entre cada medida y el valor promedio o real es el error absoluto.

Error absoluto  (Valor medido)  (Valo real )

(0.2)

El error absoluto nos indica la precisión de la medida, pues, por ejemplo, si se mide la longitud de una mesa de 1.50 m. y se obtiene 1.51, el error absoluto es de 1 cm. en esos 150 cm.; pero si se mide el espesor de un libro de 2 cm. y se obtiene 2.5 cm., el error es de 0.5 cm., pero aunque sea menor que el anterior, la medida es mucho menos precisa, ya que hay un error de 0.5 cm. en 2 cm. Por ello es necesario definir el error relativo, que es el cociente entre el error absoluto y el valor real de la medida, y que para los ejemplos anteriores son: 1/150 = 0,0066 (ó 0.66%) y 0.5/2 = 0.25 (25%), es decir que el error es mucho mayor en el segundo caso que en el primero.

Error relativo 

(Valor medido)  (Valo real ) Error absoluto  (Valo real ) Valo real

(0.3)

5. MATERIALES 5.1. Nueve resistencias de carbón de tres valores cualquiera entre 1 K y 10 K de ½, 1 y 2 vatios, es decir, tres resistencias por ejemplo de 1 K, pero una de ½, otra 1 y la tercera de 2 vatios. 5.2. Fuente regulada de DC 5.3. Multímetro digital 5.4. ProtoBoard 6. PROCEDIMIENTO 6.1. Medida de resistencias 6.1.1. Identifique tres resistencias R1, R2 y R3 de valor comprendido entre 1 K y 10 K todas de ½ vatio, determine el valor de cada resistencia empleando el código de colores y luego mídalas empleando el óhmetro. Compare los resultados. 6.1.2. Con los datos obtenidos en (6.1.1), calcule la precisión porcentual empleando la fórmula (1.4) y llene la tabla 1.

Precisión porcentual 

Valor codificado   Valor medido  x100% Valor medido 

(0.4)

6.1.3. Conecte R1 en serie con R2, y este conjunto en paralelo con R3, según muestra la figura 4. 6.1.4. Mida con el multímetro la resistencia equivalente vista desde los extremos A y B, y anote el resultado en la tabla 2. 6.1.5. Mida con el multímetro la resistencia equivalente vista desde los extremos A y C, y anote el resultado en la tabla 2.

6.1.6. Repita lo anterior para las resistencias de 1 y 2 vatios

A

A



R1 C



R3 R2 B

B Fig. 4 Medida de resistencias 6.2. Medida de tensiones continúas

6.2.1. Tome tres mediciones en vacío (circuito abierto) de la fuente de DC del laboratorio, variando la posición del reóstato, seleccione el rango a la escala más alta disponible, baje la escala hasta conseguir una lectura que contenga el mayor número posible de dígitos significativos. Tenga cuidado con la polaridad de la fuente. 6.2.2. Tome dos resistencias del ejercicio 1. Ajuste la fuente de tensión a 12 Voltios. Mida el voltaje entre los terminales de la fuente de continua (VF), y en los extremos de cada una de las resistencias (VR1 y VR2).

R1

VR1 VF

V

R2

VR2

Fig. 5 Medida de tensiones continúas 6.2.3. Sume los voltajes de las resistencias VR1 y VR2, y compárelos con el voltaje medido en la fuente VF. Anote las mediciones en la tabla 3. 6.2.4. Empleando la ley de Omh, calcule la corriente total del circuito y encuentre la caída de tensión en cada resistencia. Compare los resultados con los datos obtenidos en (6.2.2) 6.2.5. Repita lo anterior para las resistencias de 1 y 2 vatios

6.3. Medida de intensidades de corriente continúas 6.3.1. Utilice las tres resistencias del ejercicio 1: R1, R2 y R3. e instale el circuito de la figura 6. 6.3.2. Mida la intensidad de corriente que circula por cada resistencia: IR1, IR2 e IR3 6.3.3. Sume las corrientes IR3 e IR2 y compare el resultado con la corriente IR1 Anote los resultados en la tabla 4. 6.3.4. Empleando la ley de Ohm, calcule la caída de tensión sobre cada resistencia y encuentre las corrientes sobre ellas. Compare los resultados con los datos obtenidos en (6.3.2) 6.3.5. Repita lo anterior para las resistencias de 1 y 2 vatios

R1

A1 I1 VF

A3

A2

V R3

R2

I2 Fig. 6 Medida de intensidades continuas

I3

Para el informe responder lo siguiente: Laboratorio No. 1 Fecha de elaboración: ....... / ....... / ........ Nombres:

Medición de resistencias

................................................................................... ................................................................................... ...................................................................................

7. INFORME 7.1. Medición de resistencias. Complete la tabla siguiente, mostrando sus cálculos. Utilice siempre para los cálculos los valores medidos, no los valores codificados. Parámetro

R1

Resistencia R2

R3

Primera banda de color Segunda banda de color Tercera banda de color Cuarta banda de color Valor codificado   Tolerancia  % Valor medido   Precisión  % Potencia  w Tabla 1: Resultados de la medición de resistencias

7.2. ¿Cuál es el valor de la resistencia equivalente? Calcule el error relativo empleando la expresión (1.3). Complete la tabla siguiente, mostrando sus cálculos. Resistencia entre A y B Parámetro

R 

Resistencia entre A y C

AB

Valor medido   Valor calculado   Error relativo  % Tabla 2: Resultados de la medición de resistencias

R  AC

7.3. Medida de tensiones continúas. ¿Cuál es el valor de las tensiones? Calcule el error relativo empleando la expresión (1.3). Complete la tabla siguiente,

mostrando sus cálculos. Tensión en R1 Parámetro

V  1

Tensión en R2

Tensión en la fuente

V 

V 

F

2

Valor medido  v  Valor calculado  v 

VR1  VR 2 

Error relativo  %

Tabla 3: Resultados de la medición de voltajes

7.4. Responda además las preguntas: 7.4.1. ¿Qué sucede si las puntas del multímetro están invertidas, respecto a la polaridad? 7.4.2. ¿Qué sucede si la escala o el rango seleccionado es demasiado alto, o demasiado bajo? 7.4.3. ¿Cómo se clasifican los diferentes niveles de voltaje y los respectivos equipos de medición? 7.5. Medida de corrientes continuas: Vale 10%. ¿Cuál es el valor de las corrientes? Calcule el error relativo empleando la expresión (1.3). Complete la tabla siguiente,

mostrando sus cálculos. Parámetro

Corriente en R3

 I3 

Corriente en R2

Corriente en R1

2

1

I 

I 

Valor medido  A Valor calculado  A Error relativo  %

I3  I 2  Tabla 4: Resultados de la medición de corrientes

7.6. Explique la ley de Ohm en no más de 5 renglones 7.7. Explique en no más de 10 renglones como se miden: resistencias, tensiones y corrientes. Que precauciones se deben tener en cuenta. 7.8. Realicen observaciones en sus hogares y establezcan, qué resistencias, voltajes y corrientes podrían medirse, escriban las precauciones que deberían tener para hacerlas, observe los riesgos que pudieran ocurrir en caso de descargas eléctricas, cortocircuitos etc, anoten todas las observaciones (hagan registros fotográficos que puedan anexar al informe) 7.9. Conclusiones. 8. Bibliografía y Cibergrafía - Millman,Jhon. Circuitos Eléctricos. Mc Graw Hill. México 2007 - Notas de clase www. Circuitoselectricos.org VER WIKI: http://maescentics.medellin.unal.edu.co/wamorenos/wiki/