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Los objetivos de la materia laboratorio de circuitos eléctricos i en la facultad de ingeniería mecánica y eléctrica de la universidad nacional pedro ruiz gallo. Además, se detalla la importancia de los instrumentos eléctricos de corriente continua (cc) en la medición de circuitos eléctricos. Se incluyen conceptos básicos como circuitos en serie, características de circuitos, y clasificación de instrumentos de medida.
Tipo: Diapositivas
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circuito eléctrico.
La corriente eléctrica se define como el movimiento de cargas eléctricas (electrones) a través de un material conductor. Las sustancias conductoras poseen cargas libres (electrones móviles). Fundamentalmente son metales de transición, con estructura de enlace metálico (los electrones de la subcapa de los átomos forman una "nube electrónica"). II.1.1. Tipos de Corriente Clasificaremos los circuitos eléctricos usados tecnológicamente según sea el flujo de corriente por el circuito. Circuitos de corriente continua (CC, DC, =) El flujo de corriente es uniforme y constante en el circuito. Además, va siempre en el mismo sentido. Esto hace que las magnitudes medidas en el circuito se mantengan también constantes. Es el tipo de circuitos que estudiaremos en este tema. En estos circuitos la corriente es originada por pilas, baterías. Cuando el flujo de electrones se da siempre en una misma dirección, se dice que la corriente eléctrica es una corriente directa.
En ingeniería eléctrica, a menudo interesa comunicar o transferir energía de un punto a otro. Hacerlo requiere una interconexión de dispositivos eléctricos. A tal interconexión se le conoce como circuito eléctrico, y a cada componente del circuito como elemento. Un circuito eléctrico es una interconexión de elementos eléctricos. Un circuito eléctrico simple se presenta en la figura 1.1. Consta de tres elementos básicos: una batería, una lámpara y alambres de conexión. Un circuito simple como éste puede existir por sí mismo; tiene varias aplicaciones, como las de linterna, reflector, etcétera. Podemos observar ciertas características de un circuito como por ejemplo tenemos: Circuito cerrado: Este tipo de circuito es el que permite la correcta fluidez de la corriente, alrededor de todo el circuito y los elementos que componen a este. Circuito abierto: Este tipo de circuito, impide la trayectoria de la corriente. Evita el flujo de corriente haciendo que esta no llegue al punto donde inicio. Cortocircuito: Este ocurre cuando una trayectoria de baja resistencia se conecta por error a algún otro componente del circuito. Tipos de Circuitos Circuito de una dirección Estos circuitos están conectados a un solo receptor, una lampara, motor, etc. Son circuitos simples.
Características de este circuito: Las intensidades, voltajes y resistencias son iguales 𝐼𝑡 = 𝐼 1 ; 𝑉𝑡 = 𝑉 1 ; 𝑅𝑡 = 𝑅 1 Circuito en serie En estos circuitos los receptores se conectan uno al costado del otro Características: La intensidad en todos los receptores será la misma 𝐼𝑡 = 𝐼 1 = 𝐼 2 La resistencia total será la suma de todos los receptores que se encuentren dentro de la conexión del circuito. 𝑅𝑡 = 𝑅 1 = 𝑅 2
Todos los receptores que están conectados en paralelo trabajaran con la misma tensión que tenga el generador. Si quitamos un receptor los otros seguirán funcionando. II.3. ELEMENTOS EN UN CIRCUITO DE CC Existen elementos que, siendo pasivos, como condensadores y bobinas, pueden comportarse como activos en algunas ocasiones (por ejemplo, un condensador durante su descarga). Del mismo modo, una batería recargable, que es un elemento activo, se comporta como pasivo durante la carga. Generadores, consumidores, conductores, elementos de control. Podemos estudiar un circuito eléctrico desde un punto de vista energético. Todo circuito eléctrico consta de tres tipos de elementos: ❖ Generador: Elemento que suministra energía al circuito. Le da energía a las cargas eléctricas para que éstas puedan moverse por el circuito. Esta energía puede provenir de una reacción química (en pilas y baterías es una reacción ácido-metal), o de un fenómeno denominado inducción electromagnética (es lo que ocurre en una dinamo o alternador). ❖ Consumidores: Dispositivos que consumen la energía suministrada por el generador a las cargas eléctricas. Es decir, transforman la energía eléctrica de los electrones en otro tipo de energía (interna, cinética...). Por ejemplo: bombillas, calefactores, motores eléctricos. ❖ Elementos de conexión y control: cables y conductores. Ponen en contacto los generadores y los consumidores. Suministran los electrones al circuito. En teoría no consumen energía.
La metrología es la parte de la ciencia que se encarga de todo lo relativo con la medición de las magnitudes físicas. La parte que se encarga de las magnitudes eléctricas se denomina, lógicamente, metrología eléctrica. II.4.1. Medición La medición se puede clasificar de acuerdo a la forma de realización en:
funcionamiento El movimiento de la aguja o del sistema indicador de un instrumento de medida se produce utilizando distintos efectos electro-magnéticos. El conjunto de los elementos generadores del movimiento y el propio órgano móvil, cuya posición depende de la magnitud a medir, se denomina sistema de medida. Los sistemas de medida se diferencian por su estructura y por su modo de funcionamiento, tal como se expresa a continuación:
permanente y una bobina móvil: instrumentos imán permanente y bobina móvil (IPBM).
bobina fija y un núcleo magnético móvil: instrumentos de hierro móvil (HM).
bobina fija y una bobina móvil: instrumentos electrodinámicos.
instrumentos de inducción.
de cargas eléctricas en reposo: instrumentos electrostáticos. 6.
Sistemas de medida basados en los efectos caloríficos de la corriente eléctrica: instrumentos electrotérmicos. II.4.3. Denominaciones básicas de los instrumentos de medida
desvía la aguja indicadora sobre una escala de un determinado instrumento. La deflexión suele ser referida con la letra griega α. La deflexión máxima será la máxima cantidad de divisiones que tiene la escala de un instrumento (αMax).
Indica el rango de un determinado parámetro en el cual el instrumento mantiene su grado de exactitud (clase). Esta indicación viene expresada generalmente en el propio cuadrante de los instrumentos. Por ejemplo, si en encuentra escrita una leyenda subrayada: 40… Hz significa que el instrumento mantiene su clase siempre y cuando el margen de frecuencia en la que el instrumento es utilizado no se aparte de los límites fijados.
Es el margen de variación de algún parámetro que afecte el funcionamiento de un instrumento (por ejemplo: frecuencia, temperatura, etc.) dentro del cual el error cometido por el instrumento corresponde a dos veces la clase.
Se define así a toda la escala del instrumento.
Se refiere a cuán cerca del valor real se encuentra el valor medido. En términos estadísticos, la exactitud está relacionada con el sesgo de una estimación. Cuanto menor es el sesgo más exacto es una estimación. Cuando se expresa la exactitud de un resultado, se expresa mediante el error absoluto que es la diferencia entre el valor experimental y el valor verdadero.
Se denomina precisión a la capacidad que posee un instrumento en dar el mismo resultado en diferentes mediciones realizadas en las mismas condiciones. Esta cualidad debe evaluarse a corto plazo. No debe confundirse con exactitud. La precisión refleja la proximidad de distintas medidas entre sí, y es función exclusiva de los errores accidentales. En ingeniería exactitud y precisión no son equivalentes. Precisión se refiere a la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. Una medida común de la variabilidad es la desviación estándar de las mediciones y la precisión se puede estimar como una función de ella. Es importante resaltar que la automatización de diferentes pruebas o 6 técnicas puede producir un aumento de la precisión. Esto se debe a que, con dicha automatización, lo que logramos es una disminución de los errores manuales o su corrección inmediata.
El campo de indicación de un instrumento de medida está determinado por los valores inicial y final de la escala. El campo de medida de un instrumento de medida comprende aquella parte de la escala en la cual resultan válidas sus indicaciones. Por ejemplo, en la figura, el campo de indicación comprende de 0 a 800 A; pero las indicaciones de instrumento en el intervalo de 0 a 100 A resultan imprecisas y no pueden considerarse como resultados de medición. Es decir, el campo de medida de este instrumento está comprendido entre 100 y 800 A, solamente.
Se define a la relación entre la magnitud máxima al final de la escala (alcance), con su unidad correspondiente, y la máxima deflexión, en divisiones.
La sensibilidad de un instrumento de medida viene dada por la relación existente entre la variación de las indicaciones (no del ángulo de desviación) y la modificación de la magnitud de medida ocasionada por aquella. En otras palabras, se define sensibilidad como la relación entre efecto sobre causa.
Se define como la variación de la magnitud de medida que ocasiona de forma reproducible un cambio mínimo apreciable en la indicación.
Es la relación entre la cantidad máxima no destructiva que tolera el instrumento, sobre la cantidad máxima nominal.
El consumo propio es la potencia absorbida por un instrumento, necesaria para provocar su propia deflexión. El consumo propio es importante tenerlo en cuenta en mediciones de alta exactitud, pues es capaz de producir notables distorsiones en las lecturas, denominadas error de tipo sistemático (ya que se repiten en módulo
La ecuación anterior se utiliza para calcular el error relativo en el caso más general, es decir cuando la escala es uniforme o cuando el sector de la escala a que se refiere el error es uniforme. II.4.5. Aparatos de Medición Eléctrica II.4.5.1. Galvanómetro Los galvanómetros son aparatos que se emplean para indicar el paso de corriente eléctrica por un circuito y para la medida precisa de su intensidad. Suelen estar basados en los efectos magnéticos o térmicos causados por el paso de la corriente. Son la base de muchos instrumentos analógicos de medida usados como amperímetros y voltímetros. II.4.5.2. Amperímetros Es un instrumento que sirve para medir la intensidad de corriente que está circulando por un circuito eléctrico. En su diseño original los amperímetros están constituidos, en esencia, por un galvanómetro cuya escala ha sido graduada en amperes. En la actualidad, los amperímetros utilizan un conversor analógico/digital para la medida de la caída de tensión sobre un resistor por el que circula la corriente a medir. La lectura del conversor es leída por un microprocesador que realiza los cálculos para presentar en un display numérico el valor de la corriente circulante.
Para efectuar la medida de la intensidad de corriente circulante por el amperímetro ha de colocarse en serie, para que sea atravesado por dicha corriente. Esto lleva a que el amperímetro debe poseer una resistencia interna lo más pequeña posible, a fin de que no produzca una caída de tensión apreciable. II.4.5.3. Voltímetro Es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico cerrado, pero a la vez abierto en los polos. Los voltímetros se clasifican por su funcionamiento mecánico, siendo en todos los casos el mismo instrumento:
va a depender del valor de la resistencia bajo medida, esto es, a menor resistencia mayor intensidad de corriente y viceversa. II.4.5.5. Multímetro o Tester Es un instrumento que ofrece la posibilidad de medir distintas magnitudes en el mismo aparato. Las más comunes son las de voltímetro, amperímetro y óhmetro. Es utilizado frecuentemente por el personal técnico en toda la gama de electrónica y electricidad. Existen distintos modelos que incorporan además de las tres funciones básicas antes citadas otras mediciones importantes, tales como medida de inductancias y capacitancias; comprobador de diodos y transistores. Este instrumento de medida por su precio y su exactitud sigue siendo el preferido del aficionado o profesional en electricidad y electrónica. Hay dos tipos de multímetros: analógicos y digitales.
II.4.5.6. Osciloscopio Se denomina osciloscopio a un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo, que permite visualizar fenómenos transitorios, así como formas de ondas en circuitos eléctricos y electrónicos y mediante su análisis se puede diagnosticar con facilidad cuáles son los problemas del funcionamiento de un determinado circuito. Es uno de los instrumentos de medida y verificación eléctrica más versátiles que existen y se utiliza en una gran cantidad de aplicaciones técnicas. Existen dos tipos de osciloscopios: analógicos y digitales. Los analógicos trabajan con variables continuas mientras que los digitales lo hacen con variables discretas. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos, como picos de tensión que se producen aleatoriamente.
