Primer Informe Fisica Iii e2zj

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA El enlace

2016

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

“Año de la consolidación del Mar de Grau”

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica Informe N°1

OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA CURSO

:

FISICA III – MB226 - C

PROFESOR

:

Ing. Héctor Bedón Monzón

INTEGRANTES : APELLIDOS Y NOMBRES

CÓDIGO

ARIAS AGUILA MAVIX RODNEY

20131149B

BEJAR VEGA ANGEL LUCIANO

20144513J

CASTRO CAMARENA DIEGO AQUILES

20144528G

PAUCAR DE LA CRUZ ALEJANDRO ROONY

20130239H

FECHA EN LA QUE SE REALIZO EL ENSAYO:

28/03/2016

ENTREGA O s c i l o s c o p i o c o mFECHA o i n s t EN r u mLA e nQUE t o d SE e m edida

EL INFORME: 05/03/2016 P á g i n a 0 | 11

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CONTENIDO

Pág. 1.

RESUMEN……………………………………………………………………………………………….……………...2

2.

OBJETIVOS………………………………………………………………………………………….……….…….…..2

3.

EQUIPOS Y MATERIALES……………………………………………………………………………………...…2

4.

FUNDAMENTO TEÓRICO…………………………………………………………………………………………3

5.

CÁLCULOS Y RESULTADOS……………………………………………………………………………….……..5

6.

CUESTIONARIO…………………………………………………………………………………………….………...9

7.

OBSERVACIONES……………………………………………………………………………………………......…11

8.

CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………………......…11

9.

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………….………………………..11

Osciloscopio como instrumento de medida

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2. RESUMEN El presente informe de laboratorio tiene por finalidad mostrar y describir las características y funciones de un osciloscopio como un instrumento de medida de las distintas formas de voltaje. Asimismo, se podrán observar las diferencias entre un voltaje DC y AC para luego tomar medidas de las mismas. Para el desarrollo del laboratorio se usaron materiales tales como un osciloscopio, una fuente de voltaje constante con varias salidas, una pila, un transformador de voltaje alterno, un generador de función, cables de conexión y un multímetro digital. Se procedió a hacer mediciones del voltaje de la pila, del transformador y de la fuente con varias salidas, para luego poder observar y analizar las distintas gráficas que el osciloscopio mostraba. Luego de este paso, se hicieron las mismas mediciones con el multímetro para poder comparar los resultados finales. Por otro lado, se procedió a formar gráficas de voltajes con formas sinusoidales, triangulares y cuadradas, esto gracias al generador de función que también permitió variar las frecuencias de las gráficas. Dentro de las principales conclusiones que se obtuvieron, se tiene que el osciloscopio puede mostrar, gráficamente, como el voltaje puede variar con el tiempo y se pudo corroborar que la frecuencia del voltaje en Lima es de 60 Hz y que, al ser variada, afecta en la gráfica final del voltaje en el osciloscopio. Los autores

3. OBJETIVOS  Identificar y familiarizarse con el osciloscopio.  Aprender el manejo de un osciloscopio como un instrumento de medida de voltaje constante, voltaje alterno, amplitud, periodo y frecuencia de las funciones de voltajes periódica en el tiempo.  Visualizar mediante el osciloscopio en la opción “graficador XY” la posición de dos ondas senoidales y verificar la influencia que tiene la relación de frecuencias de estas en la formación de la composición.  Verificar el comportamiento de los voltajes DC y AC en base a las gráficas del osciloscopio.  Comparar y corroborar las frecuencias y los voltajes obtenidos por el osciloscopio y el multímetro, tomando como base a los valores nominales.  Comprobar que la frecuencia de salida de corriente es de 60 Hz.

4. EQUIPOS Y MATERIALES

Una fuente de corriente En nuestro caso una pila de 1.5v.

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Un osciloscopio de 25 MHZ, Elenco modelo S1325 Destinado a medir el voltaje.

Un multímetro digital Destinado a medir la corriente y la frecuencia.

Cables Necesarios para realizar las conexiones.

Un transformador de voltaje alterno de 220 V a 6 V, 60Hz Destinado a aumentar o disminuir la tensión de la corriente alterna. Una Fuente de voltaje contante de varias salidas

Un generador de función Elenco GF-8026.

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5. FUNDAMENTO TEORICO  ¿Qué es un osciloscopio? Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectro. Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma.

Figura 1.- Representación esquemática de un

 ¿Qué podemos hacer con un osciloscopio? Básicamente esto:  Determinar directamente el periodo y el voltaje de una onda para localizar averías en un circuito.  Medir la fase entre dos señales.  Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.  Tipos de ondas Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes:  Ondas senoidales  Ondas cuadradas y rectangulares  Ondas triangulares y en diente de sierra. Ondas sinusoidales: Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma, las señales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales. Ondas cuadradas y rectangulares: Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en sí mismas todas las frecuencias). La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores.

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Figura 2.- Onda senoidal

Figura 3.- Onda cuadrada

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Ondas triangulares y en diente de sierra: Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico o el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas. 

Figura 4.- Onda triangular ¿Qué es el voltaje?

El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica. 

Tipos de voltaje según la corriente que generan

Voltaje de tipo DC: la producen las baterías, las pilas y las dinamos. Entre los extremos de cualquiera de estos generadores se genera una tensión constante que no varía con el tiempo. Voltaje de tipo AC: Este tipo de voltaje es producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales eléctricas. La corriente que usamos en las viviendas en los enchufes es de este tipo. Dado que tiene un valor máximo o pico, normalmente se usa el valor eficaz como un valor nominal determinada por la siguiente ecuación:

𝑉𝑒𝑓𝑖𝑐𝑎𝑧 𝑜𝑠𝑐𝑖𝑙𝑜𝑠𝑐𝑜𝑝𝑖𝑜 =

Figura. -Grafica de una corriente continua

Figura. -Grafica de una corriente alterna

𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑜𝑠𝑐𝑖𝑙𝑜𝑠𝑐𝑜𝑝𝑖𝑜

… (1)

√2

6. CÁLCULOS Y RESULTADOS 6.1 Identificación de los controles e interruptores del osciloscopio. Pasos 1, 2, 3, 4: En esta parte solo se familiarizo con el osciloscopio mas no se hizo ningún cálculo. 6.2 Medidas de voltaje DC.  Cálculo del voltaje de la pila Para hallar el voltaje de la pila se tomaron medidas de la misma con el osciloscopio y el multímetro, siendo este último el instrumento más preciso para calcular el voltaje continuo de la pila. Para el cálculo con el osciloscopio se buscó una escala que permitiera tener la gráfica del voltaje cercana a una línea (Ver Figura 6). Finalmente, se multiplicó el número de cuadrados grandes con la escala respectiva en voltios/división. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 1.

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Tabla 1. Datos del voltaje de una pila de 1.5V. Tipo Voltaje Voltaje con Voltaje con Escala de nominal osciloscopio multímetro (voltios fuente (V) (V) (V) /división)

Pila DC

1.5

1.5

1.494

0.5

Figura 6.- Voltaje de una pila medido con un osciloscopio. Foto tomada en el laboratorio de la Facultad de Ciencias de la UNI

6.3 Medidas de voltaje AC: amplitud, voltaje, periodo y frecuencia.  Transformador de 6V. Para los cálculos respectivos de voltaje, amplitud, periodo y frecuencia, se procedió a poner el equipo tal y como se muestra en la Figura 7. Dado que el voltaje obtenido por el multímetro es el eficaz (esto por ser un voltaje AC) se calcula el voltaje eficaz del voltaje pico obtenido en la gráfica del osciloscopio con la ecuación (1):

𝑉𝑒𝑓𝑖𝑐𝑎𝑧 =

8 √2

= 5.65

A continuación, se presentan los datos experimentales hallados y los errores experimentales: Tabla 2. Datos del voltaje alterno de 6V. Tipo de fuente Voltaje nominal (V) Voltaje pico. Osciloscopio (V) Voltaje eficaz con osciloscopio (V) Voltaje eficaz con multímetro (V) Frecuencia nominal (Hz) Frecuencia con osciloscopio(Hz) Frecuencia con multímetro (Hz) Escala (ms /división) Periodo (ms)

AC 6 8 5.65 5.7 60 62.5 60 2 16

Figura7.- Grafica de la onda de un transformador de 220V a 6V de 6Hz.

Tabla 3. Errores porcentuales de voltajes.

Error (Respecto al multímetro) para el osciloscopio)

0.877%

Error (Respecto Error (Respecto al Voltaje al Voltaje nominal) para nominal) para Mult. Osc.

5.000%

5.833%

Tabla 4. Errores porcentuales de frecuencias.

Error Error (Respecto Error (Respecto (Respecto al a la frecuencia a la freuencia multímetro) nominal) para nominal) para para el Mult. Osc. osciloscopio)

4.160%

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0.000%

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4.160%

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

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Cálculo de la frecuencia de una onda sinusoidal con el osciloscopio

Tabla 5. Datos del voltaje alterno de 7V de amplitud con generador de funciones de onda.

AC 7

Tipo de fuente Voltaje pico Osciloscopio (V) Frecuencia medida con osciloscopio(Hz) Frecuencia medida con generador de onda (Hz)

100 100 2 10

Escala (ms /división) Periodo (ms)

Figura8.- Gráfica de la onda de un generador por un generador de funciones de onda a 100Hz

En la Tabla 5 se aprecia que la inversa del periodo medido con el osciloscopio es la misma que la frecuencia medida con el generador de funciones.

6.4 Otras funciones del voltaje V(t) Con el generador de onda se procedió a graficar una onda cuadrada y una onda de diente de sierra (Ver figuras 9 y 10). Para corroborar la frecuencia señalada por el generador de onda, se calcula la frecuencia de la gráfica del osciloscopio con la siguiente ecuación: 𝑓=

1 𝑇

=

1 𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 × #𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠(𝑑𝑖𝑣𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠)

… (2)

A continuación, se presentan las gráficas halladas con el osciloscopio y los valores de frecuencia, periodo y voltaje pico obtenidos de las mismas:

Tabla 6. Tipos de onda de voltaje alterno de 1V de amplitud con un generador de funciones de onda.

Tipo de onda Frecuencia (Hz) (generador de funciones de onda) Periodo (ms) (Osciloscopio) Frecuencia (Hz) (Osciloscopio) Voltaje pico (V) Escala tiempo (ms /división)

cuadrada

diente de sierra

250

250

4

4

250

250

1

1

2

2

Figura9.- Gráfica de diente de sierra.

Figura10.- Gráfica de la onda cuadrada.

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6.5 Osciloscopio como graficador XY. 

Voltajes iguales (AC)

En esta experiencia, se conectó el transformador de 6V al terminal CH1 y CH2, simultáneamente. La Figura 11 nos muestra la gráfica XY de los voltajes, que experimentalmente resultó la función X=Y. Figura11.- Gráfica X-Y en los dos canales la misma onda



Voltajes de frecuencias divisibles entre sí (Transformador y generador de onda)

Para obtener estas gráficas se conectó el transformador y el generador tal y como lo muestra la figura 12. Dado que ambos voltajes son AC y están representadas con funciones senoidales, entonces, parametrizando estas dos funciones para frecuencias iguales, se podrá tener, en algún instante, la gráfica de una elipse: 𝑋 = 𝐴𝑆𝑒𝑛(𝑤𝑡) ; 𝑌 = 𝐵𝐶𝑜𝑠(𝑤𝑡) → (𝑃𝑎𝑟𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑧𝑎𝑛𝑑𝑜) →

𝑋2 𝐴2

+

𝑌2 𝐵2

=1

Así, en la figura 12 podemos apreciar la forma de una cuasi circunferencia para una frecuencia de 61 Hz del generador y una frecuencia de 60 Hz del transformador, ambos de amplitudes cercanas a 8V. Haciendo uso del mismo principio (parametrizar las funciones de ambos voltajes) pero para frecuencias que sean divisibles por 60 Hz, se obtuvieron las figuras 13, 14 y 15 correspondientes a frecuencias de 120, 180 y 250 Hz, respectivamente.1

Figura12.- Gráfica X-Y, en los canales las ondas tienen frecuencias casi idénticas.

Figura13.- Gráfica X-Y, canal1 onda de 60Hz canal2 onda de 120Hz.

Figura14.- Gráfica X-Y, canal1 onda de 60Hz canal2 onda de 180Hz.

Figura15.- Gráfica X-Y, canal1 onda de 60Hz canal2 onda de 240Hz.

1 NOTA: las figuras 13, 14, 15 fueron simuladas desde un computador usando el programa PROTEUS 8 PROFESSIONAL (las parte simuladas voltaje alterno, las frecuencias y el osciloscopio) debido a que el grupo no pudo completar el ensayo en el laboratorio, no siendo esto un impedimento para cumplir con lo propuesto en el manual del laboratorio

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7. CUESTIONARIO 1. Haga una tabla indicando el voltaje medido con el osciloscopio, el voltaje medido con el multímetro y el voltaje nominal de cada salida de la fuente. Tabla 7. Los diferentes voltajes de una fuente de salida de voltaje continuo. Voltaje Voltaje con Voltaje con Nominal Multímetro osciloscopio (V) (V) (V)

2.0 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 12.0

1.799 3.192 4.250 6.030 7.470 8.900 13.200

1.8 3.2 4.4 6.0 7.6 9.0 13.3

Escala (voltios por bloque)

Diferencia de medidas multímetro osciloscopio (V)

Diferencia porcentual (Respecto al multímetro)

Variación porcentual (Respecto al Voltaje nominal) para Mult.

Variación porcentual (Respecto al Voltaje nominal) para Osc.

0.5 1 2 2 2 5 5

0.001 0.008 0.150 0.030 0.130 0.100 0.100

0.056% 0.251% 3.529% 0.498% 1.740% 1.124% 0.758%

10.050% 6.400% 5.556% 0.500% 0.400% 1.111% 10.000%

10.000% 6.667% 2.222% 0.000% 1.333% 0.000% 10.833%

En la Tabla 7 se aprecian los voltajes de la fuente continúa medidos con el osciloscopio y con el multímetro. Debido a que el voltaje medido tenia leves variaciones (despreciables) el valor registrado con el multímetro fue el de mayor incidencia, estas variaciones en el voltaje de salida continua se deben a diversos factores como fallas en los condensadores de la fuente, al margen de error tolerado por los reguladores de esta y al error mismo del instrumento de medición (multímetro). Por otro lado, para hallar el voltaje por medio del osciloscopio se procedió a contar los cuadros de la pantalla hasta llegar a la recta continua y multiplicarlos por su respectiva escala. 2. ¿Es realmente constante el voltaje dado por esa fuente? No. A pesar de que la fuente utilizada fue de voltaje continuo, al medir la salida de voltaje se apreció pequeñas variaciones del orden de ±0.007 V, estas variaciones se deben a múltiples factores por citar algunos:  Desgaste natural de los condensadores de la fuente.  Margen de error tolerado de los reguladores de voltaje de la fuente.  Error mismo del instrumento de medición (Multímetro). Sin embargo, dada la poca variación. Se puede considerar al voltaje dado como un voltaje continuo. 3. ¿Cuál es el periodo del voltaje alterno dado por el transformador de 6 voltios?   

Periodo según el osciloscopio: 16 ms Periodo según el multímetro (la inversa de la frecuencia hallada): 16.67 ms Periodo nominal: 16.67 ms

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Diga el número de divisiones cuando el interruptor 28 está en posición 1ms/división, 2ms/división, 5ms/división y su frecuencia.   

El número de divisiones para la escala 1ms/división es aproximadamente 16.6 y su frecuencia 60.24Hz. El número de divisiones para la escala 2ms/división es aproximadamente 8.3y su frecuencia 60.24Hz. El número de divisiones para la escala 5ms/división es aproximadamente 3,3 y su frecuencia 60.61Hz.

4.-Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio e indique lo observado en los pasos 17 y 18. En la pantalla de la figura 16 se puede apreciar una gráfica de forma lineal debido a que por las dos entradas ingresa una misma cantidad de voltaje a la misma frecuencia; es decir, la frecuencia que ingresa en el canal A es igual a la frecuencia en el canal B, por ello el grafico XY resulta de esta manera. Figura16.- Gráfica de una onda en función de otra onda

5. Si el osciloscopio esta en modo XY y coloca un voltaje constante de 1.5 voltios (una pila en el canal 1) y de 3 voltios (fuente de voltaje constante con diferentes salidas) en el canal 2. indique la señal observada. Gráfica 1. Gráfica XY de los voltajes de 1.5 V y 3 V.

Dado que los valores de los voltajes siempre serán constantes en el tiempo, la gráfica XY para este caso resultará un punto, tal y como se muestra en la gráfica 1.

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8. OBSERVACIONES: 1. Se observa que la gráfica de un voltaje DC es una función continua. 2. Se observa que la gráfica de un voltaje AC Generado por un trasformador es de forma sinusoidal. 3. Se observa que la frecuencia de salida del transformador, que es igual al de la toma de corriente, es de 60 Hz. 4. Se observa que los periodos calculados con el osciloscopio son de igual magnitud a los del generador de onda. 5. Se observa que las ondas cuadradas no son totalmente rectas en cada segmento continuo. Por otro lado, la gráfica de dientes de sierra coincidió con los límites establecidos de la amplitud y frecuencia que se le dio. 6. Se observa que la gráfica XY de dos funciones de voltaje iguales generaron una recta que coincidió con la función Y=X. 7. Se observa que al tener voltaje AC de frecuencias divisibles entre si se generan curvas paramétricas las cuales varían de forma en el tiempo. 8. Se observa que los errores tomados respecto al multímetro (voltaje y frecuencia) son menores al 5% 9. Se observa que la gráfica XY de dos voltajes constantes es un punto.

9. CONCLUSIONES    

Se logró identificar y utilizar correctamente el osciloscopio para la medición de los voltajes, amplitudes, periodos y frecuencias para los voltajes de corriente alterna. Se concluye que la fuente de la corriente continua realmente no es continua, pero se puede aceptar como tal debido a que su vacilación es despreciable ±0.007 V. Se concluyó que para dos ondas sinusoidales con frecuencias divisibles entre sí se generan curvas paramétricas lobulares.

Se verifico que la frecuencia de salida de corriente alterna en lima es de 60Hz.

9. FUENTES DE INFORMACIÓN     

Cortez, J. Caro, G Castillo, Practicas de Laboratorio de Física, edición 2009, Perú, p.p. 110-115, 2009. http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Uso-del-osciloscopio.php http://www.equiposylaboratorio.com/sitio/contenidos_mo.php?it=1484 http://personales.upv.es/jogomez/labvir/material/osciloscopio.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/movimiento/osciloscopio/osciloscopio.htm

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