República Bolivariana de Venezuela Universidad de Falcón Facultad de Ingeniería Laboratorio de Circuitos Eléctricos I Profesor: Alexis Díaz
Informe Laboratorio Divisor de Voltaje Práctica # 2
Integrantes: -Martínez, Luis C.I: 23.675.884 -Zavala, Hernán C.I: 24.426.742
Punto Fijo, Junio de 2014
Contenido
Introducción.
Marco teórico.
Objetivos de la práctica.
Equipos necesarios.
Experiencia realizada.
Tabla de resultados.
Análisis de resultados.
Conclusión.
Anexos.
Introducción
Una de las variables más significativas en el mundo de la física, específicamente la electricidad, es el voltaje. El voltaje se puede definir como una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. El voltaje además es llamado diferencia de potencial o tensión eléctrica y sus aplicaciones parecen ser casi infinitas en nuestro entorno. Un ejemplo aleatorio en la naturaleza puede ser la descargar de un rayo, este viaja alrededor de 200.000 km/h y su tensión o voltaje respecto al suelo es alrededor de 1.000.000.000 Voltios. Esta práctica basa sobre el divisor de voltaje, una herramienta que permite controlar y manejar las diferencias de potencial eléctrico de un circuito, analizando el comportamiento de esta variable y permitiendo al estudiante aplicar los conceptos básicos sobre electricidad.
Marco Teórico Voltaje
El voltaje es una magnitud física, con la cual podemos cuantificar o “medir” la diferencia de potencial eléctrico o la tensión eléctrica entre dos puntos, y es medible mediante un aparato llamado voltímetro. En cada país el voltaje estándar de corriente eléctrica tiene un número específico, aunque en muchos son compartidos. Por ejemplo, en la mayoría de los países de América Latina el voltaje estándar es de 220 voltios. El símbolo con el cual es representado el voltaje o tensión eléctrica es V, que representa a la unidad de medida que es el voltio o volt. Su nombre, deriva de Alessandro Volta, físico italiano que ingenió en el siglo XVII la pila eléctrica, luego denominada pila voltaica (también en honor a su mentor). Lo que hizo Volta fue “descubrir” los dos materiales que eran capaces de conducir electricidad de
manera constante, un problema de la física que acarreaba desde los tiempos de Luigi Galvani, otro físico italiano que comenzó a indagar sobre las posibilidades de generar este tipo de electricidad continua. Los dos materiales propuestos por Volta fueron el zinc y la plata. El voltio tiene capacidad de ser fragmentado, tal como lo son otras medidas como el metro, y entonces podemos encontrar unidades de medidas tales como: centivoltio, decivoltio, milivoltio, decavoltio, hectavoltio, etc. Para tener una idea en general, una pila alcalina no recargable de las que denominamos comúnmente AA (doble A) tiene una capacidad de 1.5V. Mientras, una batería de litio que sea recargable tiene un potencial de 3.75V. Respecto a los voltajes, como decíamos, en casi todos los países de América del Sur el voltaje estándar es de 200V. En Europa, utilizan un voltaje de 230V, mientras en Oceanía asciende a 240V. En Norteamérica, el voltaje de potencial eléctrico es de 120V, y en Japón de 100V. De América Latina, sólo Colombia, Ecuador y Venezuela no comparten el volta de 220, y utilizan 110V
Divisor de voltaje o tensión
Un divisor de tensión es una configuración de circuito eléctrico que reparte la tensión de una fuente entre una o más impedancias(resistencias) conectadas en serie. Supóngase que se tiene una fuente de tensión con
n
impedancias. Para conocer el voltaje
, conectada en serie
en la impedancia genérica
, se
utiliza la ley de Ohm:
Sustituyendo la segunda ecuación en la primera se obtiene que el voltaje en la impedancia genérica
será:
Obsérvese que cuando se calcula la caída de voltaje en cada impedancia y se recorre la malla cerrada, el resultado final es cero, respetándose por tanto la segunda ley de Kirchhoff. Objetivos de la práctica
Determinar cómo se distribuye el voltaje en los elementos de un circuito en serie
Interpretar el cómo funciona el circuito divisor de tensión para observar las variaciones que se tienen al agregar una carga a un circuito en serie
Aplicar cálculos teóricos que demuestren las formas conocidas de compensación de voltaje en un circuito eléctrico.
Equipos necesarios
1 ProtoBoard
1 multímetro digital
1 fuente de voltaje individual
Cable conectores
3 resistencias de 1k
1 resistencia de 220
1 Potenciómetro de 5k
1 Potenciómetro de 10k
Experiencia Al inicio de la práctica se debatieron los puntos fundamentales y objetivos de esta. Se procedió a realizar una breve explicación del cómo funciona el circuito que a trabajar, así como un breve repaso teórico del divisor de voltaje. A continuación se procedió a realizar las experiencias pautadas.
Experiencia 1
Como primer paso se conectó el circuito mostrado en el anexo nº1 en el ProtoBoard siguiendo ciertas indicaciones y precauciones, con el valor de R 3 fijo en 1k, se suministró a una carga entre los puntos A y C potencias de 6, 12, 20, 25 y 30mW manteniendo la tensión en V ca fija en 6V, variando la fuente de tensión para que el circuito se compensado. Las mediciones realizadas se presentan en la tabla nº1.
Experiencia 2
Para esta experiencia se ajustó la fuente individual a un valor fijo de 9V, se ajustaron los valores en R L a los anteriormente colocados en la experiencia 1 para las diferentes potencias, se realizó las mediciones correspondiente en V ca e I L, los datos extraídos de esta experiencia se encuentran en la tabla nº2 Experiencia 3
Primeramente se sustituyó R 3 por el potenciómetro de 5k y se ajustó la fuente de voltaje en un valor fijo de 9V como en la experiencia pasada. Luego, se
suministró a la carga la misma potencia que se indicó en la experiencia 1, V
ca
debía ser mantenido en un valor constante de 6V variando primeramente el potenciómetro de 10k (el que se encuentra en R L) a los valores con los que hemos estado trabajando desde la experiencia 1, y luego se ajusta el potenciómetro de 5k (el que sustituyó a R 3) para mantener el valor de V ca en 6V. Los valores medidos se presentan en la tabla nº3
Tabla de resultados
Tabla nº1: Experiencia 1 Medidas con R3 fija (1K ) y VT Variable PL (mW) 8
Vca (V) 6
RL (K ) Medido 4,3
RL (K ) Teórico 4,28
IL (mA) Medido 1,3
IL (mA) Teórico 1,33
VT (V) VT (V) Medido Teórico 10,26 10,33
12
6
2,775
2,78
1,98
2
11,03
11
20
6
1,58
1,58
3,24
3,33
12,02
12
25
6
1,217
1,220
4,15
4,167
13,18
13,166
30
6
0,978
0,98
4,94
5
14,01
14
Tablanº2: Experiencia 2 Medidas con R 3 fija (1K ) y VT fijo (9V) VT (V) 9
RL (K ) 4,28
IL (mA) Medido 1,14
IL (mA) Teórico 1,16
Vca (V) Medido 5,22
Vca (V) Teórico 5.19
PL (mW) Medido 5,95
PL (mW) Teórico 6.02
9
2,78
1,62
1.63
4,9
4.88
7,93
7.95
9
1,58
2,41
2.433
4,38
4.4
10,55
10.7
9
1,220
2,81
2.84
4,10
4.13
11,52
11.73
9
0,98
3,18
3.216
3,86
3.9
12,27
12.54
Tablanº3: Experiencia 3 Medidas con R 3 Variable y V T fijo (9V) VT (V) 9
Vca (V) 6
RL (K ) Medido 4,28
R3 (K ) Medido 0,685
R3 (K ) Teórico 0,692
9
6
2,78
0,591
0.6
9
6
1,58
0,471
0,473
9
6
1,220
0,415
0.418
9
6
0,98
0,370
0.375
Análisis de los resultados
En la experiencia 1 se puede determinar cómo funciona la compensación añadida a un circuito en serie para controlar el voltaje de ciertos terminales como el de Vca que se mantuvo constante en 6V, teóricamente estos valores habían sido calculados en el pre-laboratorio de esta práctica. En esta primera experiencia los datos conocidos era P L, R3 y Vca que era constante, lo que variaba en el circuito era VT, RL y por ende I L, para el cálculo de estas variable se inició calculando R L a través de P L, utilizando los conceptos de ley de Ohm y la fórmula de la potencia.
(1) (2)
Sustituyendo 1 en 2, tenemos:
(3) , Acomodando la ecuación: (4)
Con esta ecuación podremos determinar la resistencia en la carga que viene dada por R L+R. En la potencia de la carga fijada en 8mW, tenemos:
Restándole la resistencia de prevención:
Ahí tenemos el primer valor de R L, ahora procedemos a calcular la corriente que entra a la carga (I L) aplicando Ley de Ohm:
, pero para calcular la
corriente que entra a la carga tenemos que usar la resistencia de está, no R L, en otras palabras
, para la primera corriente:
Ahora procedemos a calcular el valor que tiene que suministrar la fuente de voltaje, para que esto sea posible, tenemos que calcular valores como R ca e Ica de la siguiente manera
E Ica por ley de Ohm:
Aplicando lo principios de electricidad se puede apreciar que I ca=IR3 =IT, entonces:
Realizamos el mismo procedimiento con las demás potencias para obtener todos los valores.
Para la experiencia nº2 nos pide calcular V ca, IL y PL, teniendo como valores fijos VT con 9V, R3=1K y RL la cual aplicaremos los mismos valores de la experiencia nº1. Para empezar el cálculo fijamos R L en el primer valor, en este
caso 4280, procedemos a calcular R ca como se indicó anteriormente y aplicamos la definición de divisor de corriente:
Ahora podemos calcular I L ya que al estar conectada en paralelo a los terminales A y C tendremos el mismo voltaje V ca, aplicando sencillamente
teniendo en cuenta que R representa la resistencia de la carga
expresada en R L+220:
.Y finalmente calculamos
En la experiencia 3 sencillamente calculamos el valor variable de R
3
respecto a R L que tomará los valores con los que hemos venido trabajando, esto con el fin de demostrar la compensación por variación de la resistencia. Para esto se mantuvo la fuente de voltaje en un valor fijo de 9V y V
ca
en un
valor de 6V, lo primero que se hace es ajustar la resistencia de carga en el orden que se ha seguido, para este primer caso
, por lo que
, como se ha venido demostrando. Como ya sabemos que
Vca= 6V, podemos calcular R 3 de dos maneras:
1) Calculando ,utilizando
,
como sabemos que hay una distribución de voltaje V T= 9V y Vca= 6V, por
consiguiente
el
voltaje
en
R 3 será
igual
a
3
voltios:
2) Aplicando proporcionalidades sabemos que R 3 representa ½ de la tensión en R ca, significa que R 3 es una resistencia menor que absorbe la mitad de Rca, por consiguiente:
Conclusión Ya finalizada la práctica, se pudo determinar el funcionamiento del circuito divisor de voltaje para así poder comprender el comportamiento del voltaje en un circuito, además de su compensación y su manejo a través de cálculos. El alumno debe entender en su totalidad el manejo de la variable voltaje ya que es índole en la materia de electrónica, y conocer todos los métodos de su análisis es una herramienta fundamental en el área de las ingeniería eléctrica y electrónica.
Anexos
Anexo nº1: circuito empleado para la aplicación de la división de voltaje