Proyecto final

ACTIVIDAD FINAL

Componentes de una fuente de alimentación:

La función de una fuente de alimentación es convertir la tensión alterna en una tensión continua y lo mas estable posible, para ello se usan los siguientes componentes:
1Transformador de entrada
2 Rectificador a diodos
3 Filtro para el rizado
4 Regulador (o estabilizador) lineal

Elaboración de una fuente de voltaje: 12V, -12V, 5V, -5V

Como proyecto final presentamos una fuente de voltaje que nos arroja valores positivos y negativos de 12V y 5V. Usamos los siguientes materiales:

• Un transformador con tap central de 12V.
• Cuatro diodos polarizados.
• Dos condensadores de 2200 uF
• Cuatro reguladores: LM7805, LM7812, LM7905, LM7912.
• Dos resistencias de 1kΩ y dos resistencias de 4.7kΩ.
• Cuatro Leds de colores.

En primer lugar es adecuado hacer una simulación del circuito de la fuente usando el software Multisim como aparece a continuación.

En esta simulación usamos la fuente de corriente alterna que alimenta el circuito; usamos:

• Transformador: que es un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado, fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente.

• Diodo: El diodo es el dispositivo más sencillo realizado con materiales semiconductores. Su fabricación se lleva a cabo mediante la unión de dos semiconductores, uno de tipo P y otro de tipo N. El terminal que sale del semiconductor tipo P se denomina ánodo y el terminal que sale del semiconductor tipo N, cátodo.

- Puente rectificador de diodos: El puente rectificador es un circuito electrónico usado en la conversión de corriente alterna en corriente continua. También es conocido como circuito o puente de Graetz. Consiste en cuatro diodos comunes, que convierten una señal con partes positivas y negativas en una señal únicamente positiva. Un simple diodo permitiría quedarse con la parte positiva, pero el puente permite aprovechar también la parte negativa. El puente, junto con un condensador permite convertir la corriente alterna en continua. El papel de los cuatro diodos comunes es hacer que la electricidad vaya en un solo sentido, mientras que el resto de componentes tienen como función estabilizar la señal. El rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del transformador en tensión continua. Para ello se utilizan diodos. Un diodo conduce cuando la tensión de su ánodo es mayor que la de su cátodo. Es como un interruptor que se abre y se cierra según la tensión de sus terminales.

• Condensador: Un condensador electrolítico es un tipo de condensador que usa un líquido iónico conductor como una de sus placas. Típicamente con más capacidad por unidad de volumen que otros tipos de condensadores, son valiosos en circuitos eléctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia. Este es especialmente el caso en los filtros de alimentadores de corriente, donde se usan para almacenar la carga, y moderar el voltaje de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. También son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente continua pero no corriente alterna. Los condensadores electrolíticos pueden tener mucha capacitancia, permitiendo la construcción de filtros de muy baja frecuencia. La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida completo, la tensión en la carga aumenta de cero a un valor de pico, para caer después de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una batería. Para obtener este tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro, en este caso el condensador a la entrada. Cuando el diodo conduce el condensador se carga a la tensión de pico Vmax. Una vez rebasado el pico positivo el condensador se abre debido a que el condensador tiene una tensión Vmax entre sus extremos, como la tensión en el secundario del transformador es un poco menor que Vmax el cátodo del diodo esta a mas tensión que el ánodo. Con el diodo ahora abierto el condensador se descarga a través de la carga. Durante este tiempo que el diodo no conduce el condensador tiene que "mantener el tipo" y hacer que la tensión en la carga no baje de Vmax. Esto es prácticamente imposible ya que al descargarse un condensador se reduce la tensión en sus extremos. Cuando la tensión de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo conduce brevemente recargando el condensador a la tensión de pico. En otras palabras, la tensión del condensador es aproximadamente igual a la tensión de pico del secundario del transformador (hay que tener en cuenta la caída en el diodo). La tensión en la carga es ahora casi una tensión ideal. Solo nos queda un pequeño rizado originado por la carga y descarga del condensador.



• Regulador: un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos. En este caso utilizamos cuatro reguladores integrados de tres terminales que son los mas sencillos y baratos que hay, en la mayoría de los casos son la mejor opción.

Reguladores de la serie 78XX: su característica principal es que la tensión entre los terminales Vout y GND es de XX voltios y una corriente máxima de 1A. Por ejemplo los que usamos en esta fuente: el 7805 es de 5V, el 7812 es de 12V con una corriente máxima de 1 Amperio. Se suelen usar como reguladores fijos.

Reguladores de la serie 79XX: este se suele usar en combinación con el 78XX para suministrar tensiones simétricas. la tensión entre Vout y GND es de - XX voltios, por eso se dice que este es un regulador de tensión negativa. La forma de llamarlos es la misma: el 7905 es de 5V, el 7912 es de 12 pero para tensiones negativas.

Después de conocer la función de cada componente en la fuente podemos observar el circuito elaborado:

• Elaboración de la fuente (Montaje en Protoboard):

Rectificador de onda completa

ACTIVIDAD VII

Un rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida (Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua.

Existen dos alternativas, bien empleando dos diodos o empleando cuatro (puente de Graetz).

Puente de Graetz o puente rectificador de doble onda

En este caso se emplean cuatro diodos con la disposición de la figura. Al igual que antes, sólo son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en inversa y conducen (tensión negativa).

A diferencia del caso anterior, ahora la tensión máxima de salida es la del secundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos. Esta es la configuración usualmente empleada para la obtención de onda continua.

Por ejemplo inicialmente tenemos una señal senoidal que como sabemos su valor se intercala entre positivo y negativo. El rectificador de onda completa vuelve los negativos positivos como en las siguientes imágenes:

Rectificador en Multisim:

En el siguiente video se puede observar un rectificador de onda completa simulado en el software multisim. Para ello usamos una fuente de corriente alterna, un puente de diodos (contiene cuatro diodos conectados adecuadamente para que dos de ellos conduzcan cuando deben conducir) y una resistencia de 1kΩ. Trabajamos con 5V y 60 Hz. En el osciloscopio podemos observar que la entrada que es después de la fuente y antes del rectificador, es una señal sinusoidal con sus valores positivos y negativos. Luego de que la corriente alterna ha pasado por el rectificador es una señal con un pequeño rizado que tiende ha ser continua. 

Rectificador en Proteus:

El anterior proceso se puede hacer de la misma manera en el simulador de circuitos, Proteus, se usa los mismos componentes y se observa el trabajo que realizan los diodos para permitir pasar esa corriente alterna que da la fuente en una corriente casi que continua, es un corriente pulsante con un pequeño rizado que se podría disminuir con la utilización de un filtro. Por ejemplo el uso de un condensador después del puente rectificador puede reducir el rizado y generar una corriente mucho mas continua por no decir que totalmente continua. En las siguientes figuras se puede observar tanto el circuito de un rectificador de onda completa con filtro como su resultado. 

Video de simulacion de un rectificador de onda completa en Proteus.

Circuitos RL y RC

ACTIVIDAD VI

Un circuito RLC es un circuito lineal que contiene una resistencia eléctrica, una bobina (inductancia) y un condensador (capacidad).

Existen dos tipos de circuitos RLC, en serie o en paral, según la interconexión de los tres tipos de componentes. El comportamiento de un circuito RLC se describen generalmente por una ecuación diferencial de segundo orden (en donde los circuitos RL o RC se comportan como circuitos de primero orden).

Los circuitos RL son aquellos que contienen una bobina (inductor) que tiene auto-inductancia  esto quiere decir que evita cambios instantáneos en la corriente. Siempre se desprecia la auto-inductancia en el resto del circuito puesto que se considera mucho menor a la del inductor.

Un circuito RC es un circuito compuesto de resistores y condensadores alimentados por una fuente eléctrica. Un circuito RC de primer orden está compuesto de un resistor y un condensador y es la forma más simple de un circuito RC. Los circuitos RC pueden usarse para filtrar una señal, al bloquear ciertas frecuencias y dejar pasar otras. Los filtros RC más comunes son el filtro paso alto, filtro paso bajo, filtro paso banda, y el filtro elimina banda. Entre las características de los circuitos RC está la propiedad de ser sistemas lineales e invariantes en el tiempo.

Reciben el nombre de filtros debido a que son capaces de   filtrar señales eléctricas de acuerdo a su frecuencia.

Circuitos RL y RC en Multisim:

La intensión de este video es mostrar mediante la simulación en multisim que en el circuito RC el condensador permite atrasar la señal de entrada mientras que en el circuito RL el inductor la adelanta.

Usamos una fuente de corriente alterna conectada en serie con una resistencia de 1kΩ y un condensador de 1uF. Con ayuda del osciloscopio tectronix podemos observar el comportamiento de las dos señales, la de entrada que sucede primero y el voltaje en el condensador que sucede luego de esta. Luego observamos el comportamiento de un inductor en serie con la resistencia y la fuente. En un principio le otorgamos un valor de 1mH lo que ocasiona una señal mínima, cuando se le cambia el valor a un valor mas grande, 1H se puede ver que la señal aumenta de amplitud y se visualiza mucho mejor que esta sucede antes que la señal de entrada.

Debido a lo anterior se concluye que la función de un condensador es atrasar la señal mientras que la del inductor es adelantarla.

Circuitos RL y RC en Proteus:

El anterior procedimiento también se lo puede observar utilizando el software Proteus. Al igual que en multisim trabajamos con un circuito en serie RL y uno RC, los mas simples formados por una resistencia, la fuente de corriente alterna y un inductor y condensador respectivamente.

Obviamente se puede observar la misma simulación que en multisim puesto que trabajamos con la misma formación del circuito simple.

Desfase en las señales

ACTIVIDAD V

El desfase entre dos ondas es la diferencia entre sus dos fases. Habitualmente, esta diferencia de fases, se mide en un mismo instante para las dos ondas, pero no siempre en un mismo lugar del espacio.

Se puede medir el desfase como:

• Un ángulo (en radianes o en grados o aún en giros).
• Un tiempo (en segundos o como un múltiplo o una fracción del período).
• Una distancia (en metros o como un múltiplo o una fracción de la longitud de onda).

La noción de desfase no se limita a las ondas sinusoidales. Se puede hablar de desfase de cualquier tipo de onda o fenómeno periódico. 

Para los fenómenos no periódicos, solo se puede hablar de avance o retardo.

Desfase en Multisim:

Para el siguiente video usamos dos fuentes de corriente alterna y haciendo uso del osciloscopio podemos observar el comportamiento de las dos señales. En cada una de las fuentes se puede ajustar el angulo de desfasamiento para observar en el osciloscopio como se desfasa la una señal con respecto a la otra. 

Se puede determinar el ángulo de desfasamiento con la siguiente fórmula:

La anterior fórmula nos determina el angulo de desfasamiento de una señal con respecto a la otra. Cuando simulamos en multisim las dos señales, podemos ver la figura de lissajous y determinar en ella el máximo corte que se presenta en el eje y y la máxima distancia que hace parte de la figura en el eje y; realizando el cociente entre estos dos valores y a determinando el arco-seno del valor obtenido nos da el angulo de desfase. Por ejemplo si le asignamos a la primera señal 12V, una frecuencia de 200 Hz y ángulo de desfase de 35° y a la segunda señal le dejamos un desfasamiento en 0 con 12V y 200 Hz. La figura de lissajous simétrica con respecto al origen, ajustamos la imagen a 5V por división y se puede observar un máximo corte en el eje y de aproximadamente 9.8 y la máxima distancia en y esta determinada por aproximadamente el valor de 17. Al obtener el arcoseno de 9.8/17 obtenemos 35.2026° es aproximadamente 35°. El valor no es exacto debido a que los valores de 9.8 y 17 son tomados aproximadamente de acuerdo a la visión que tenemos de la figura en el osciloscopio. Asi la primera señal esta desfasada 35° con respecto a la segunda.

Desfase en Proteus:

Para hacer una simulación del desfasamiento en Proteus utilizamos un pulso con una amplitud de 5, una frecuencia de 60 Hz y acondicionado a un ángulo de 45°, lo conectamos en serie con dos resistencias de 10kΩ y la fuente de corriente AC. Usando el osciloscopio, en este caso se pueden observar distintas figuras de lissajous, pero adecuando a una visible se pudo determinar un máximo corte en el eje y de aproximadamente 3.8 cuando estaba a 1 voltio por división y una máxima distancia en y de 5.3; asi calculando el arco-seno de 3.8/5.3 obtenemos aproximadamente 45.8 que es un valor esperado puesto que los valores que hemos expresado en el cálculo de la fórmula han sido bastante aproximados de la observación hecha.

Figuras de Lissajous

ACTIVIDAD IV

Las figuras de Lissajous se obtienen de la superposición de dos movimientos armónicos perpendiculares. La trayectoria resultante dependerá de la relación de las frecuencias y de la diferencia de fase. La combinación de esos dos movimientos armónicos, da lugar a interesantes figuras, que por lo general son simétricas. Podemos reproducir estas curvas en el osciloscopio poniéndolo en posición X-Y y aplicando dos señales de distinta o igual frecuencia y desfase. Por ejemplo aplicando dos sinusoides se pueden lograr miles de figuras; entre ellas destacan las presentes en la figura de la izquierda.

Figuras de Lissajous (Multisim): 

En el siguiente video con ayuda de multisim hicimos dos ejemplos de figuras de lissajous usando dos sinusoides. Para ello usamos dos fuentes de corriente AC y el osciloscopio tectronix para visualizar el comportamiento de las señales. El canal uno del osciloscopio a la primera señal y el segundo a la segunda. En primera instancia otorgamos los mismos parámetros a las dos señales: 12V y 100Hz para observar que son dos señales idénticas y luego cambiamos el valor de la frecuencia para dos ejemplos. Explicando el primer ejemplo; en la primera señal 400 Hz y la segunda a 200 Hz entonces observamos la figura y podemos determinar si la señal es un múltiplo o submúltiplo de la otra con la siguiente fórmula: 

Para este ejemplo obtenemos 4 cortes en el eje y y 2 en el x por tanto 4/2=2 lo cual quiere decir que la primera señal es un múltiplo de la segunda ya que 2*200 es 400. Así los demás ejemplos que se pueden visualizar en el vídeo.

Figuras de Lissajous (Proteus): 

Usando proteus también se pueden observar las figuras de lissajous. Relacionamos igualmente las dos fuente de corriente alterna y el osciloscopio para observar las señales. Se debe usar la misma fórmula especificada anteriormente. 

Explicamos un ejemplo de submúltiplo: la primera señal con una frecuencia de 400 Hz y la segunda a 100 Hz, observando la figura se pueden detallar 8 cortes con el eje y y 2 cortes con el eje x por ello la razón entre estos dos valores es 4 lo cual nos indica que al dividir la primera señal 400Hz entre 4 nos da 100Hz, la frecuencia de la segunda señal, por tanto la segunda señal es un submúltiplo de la primera.

Primera simulación de un Circuito en serie

Circuito en serie (Multisim): 

Usando el software Multisim se realizo el siguiente video en el que se presenta la simulación de un sencillo circuito en serie en el cual corroboramos la aplicación de la ley de ohm. El circuito esta formado por una fuente DC de 12V y tres resistores de 1Ω.

Haciendo uso de un multímetro (para medición de voltaje se conecta éste en paralelo) hicimos la medida de las caídas de tensión en las tres resistencias para darnos cuenta que la suma de esos voltajes da el voltaje de la fuente. Luego medimos la corriente que circula por el circuito (la corriente se mide en serie por lo que es necesario abrir el circuito), por ley de ohm, la corriente es igual al voltajes sobre la resistencia, entonces la intensidad seria igual a los 12V de la fuente sobre la resistencia equivalente, es decir como se tienen tres resistencias de 1kΩ en serie entonces la equivalente es 3kΩ y este cociente es igual a 4mA que es la corriente que fluye a través de todo el circuito ya que la corriente es la misma en un circuito en serie.

Por último con el vatímetro medimos el valor de la potencia en cada resistencia para comprobar que ésta es igual al voltaje por la intensidad, es decir si tenemos el voltaje de 4V en la resistencia y lo multiplicamos por la corriente de 4mA obtenemos una potencia de 16 mW para cada resistencia ya que las tres poseen el mismo valor, 1kΩ.

Simulaciones en Software Multisim y Proteus

ACTIVIDAD III

► Proteus y Multisim son dos software que permiten hacer simulaciones de circuitos simples y complejos que tienden a parecerse mucho a la realidad. Consideramos que el uso provechoso de estos programas hace que se aprendan de una manera de cierta forma práctica los conceptos teóricos que se adquieren acerca de análisis y funcionamiento de los circuitos.   

1) Osciloscopio Tectronix y Osciloscopio Agilent (Multisim):

A continuación se encuentra un video en el que haciendo uso del software Multisim se ha llevado a cabo la medición de valores AC y DC en un circuito eléctrico.

En primer lugar hacemos un pequeño circuito con tres resistores de 10kΩ y una fuente DC de 6 Voltios. Haciendo uso del osciloscopio Tectronix (consta de cuatro canales) medimos los voltajes en esa corriente continua. Conectamos el canal uno a la entrada, el canal dos al final de la resistencia 1 e inicio de la 2 para allí medir el voltaje  y el canal tres al final de la resistencia 2 e inicio de la 3; conectamos tierra y procedemos ha simular el circuito y encender el osciloscopio. Podemos observar que de acuerdo al valor que le asignemos para el voltaje por división (voltaje que va ha representar cada cuadro de la pantalla del osciloscopio) se puede medir el voltaje en los distintos canales. En este caso asignamos a los canales un voltaje por división de 5V y ello hacia que en el canal 1 obtengamos un valor de 6V, en el canal dos 4V y en el tres 2V ya que cada resistor de 10kΩ presenta una caída de tensión de 2V y ademas la corriente que circula por el circuito es de (1/5)Amperios por ley de ohm. También este osciloscopio nos presenta mediciones de periodo, frecuencia, el voltaje total, el voltaje pico-pico, voltaje mínimo y máximo, tiempo de crecimiento y de caída y el ancho tanto del ciclo positivo como del negativo.

En segundo lugar cambiamos la fuente DC por una AC asignándole 6Vrms y una frecuencia de 60Hz; en el osciloscopio observamos una forma de onda senoidal y obtuvimos las respectivas mediciones que en este caso están constantemente variando hasta que el instrumento nos indica una estabilización del valor. 

Por ultimo realizamos todo lo anteriormente mencionado pero haciendo uso del osciloscopio Agilent, el cual únicamente tiene dos canales y verificamos mas exactamente la variación del voltaje por división y del periodo.

2) Distintos osciloscopios en Multisim:

Para el siguiente video trabajamos con un circuito en serie de tres resistores de 1kΩ y una fuente de voltaje DC de 6V, medimos con un multímetro común tanto la corriente que circula por el circuito (se mide en serie por lo que se abre el circuito) como la caída de tensión en las resistencias (el voltaje se mide en paralelo). Por ley de ohm obtuvimos en cada resistor una caída de tensión de 2V y la corriente de 2mA.

En Multisim hicimos uso de 4 osciloscopios, Tectronix (4 canales), Agilent (2 canales), XSC3 (2 canales), XSC4 (4 canales), con los cuales verificamos los voltajes tanto en la entrada como en el intermedio de las resistencias. comprobando las mediciones hechas con el multímetro. En el osciloscopio XSC3 los negativos respectivos de los dos canales se conectan a tierra para hacer las mediciones.

3) Medida de corriente y voltaje en un circuito en serie (Proteus):

En este caso usando el software Proteus aplicamos ley de ohm a un circuito en serie compuesto por tres resistores de 2kΩ y una fuente de voltaje DC de 12V. Si sabemos que la corriente es igual al voltaje sobre la resistencia, entonces por ser un circuito en serie tenemos una resistencia total de 6kΩ por lo cual la intensidad seria igual a (12V / 6kΩ) = 2mA y con ella podemos saber que en cada resistencia tenemos una caída de tensión de V = I*R = 2mA * 2kΩ = 4V. Esto fue comprobado con el uso de un voltímetro y un amperímetro en Proteus. Se conecta dichos instrumentos adecuadamente, el positivo al positivo y el negativo al negativo.

Luego de lo anterior para comprobar las medidas de los voltajes y de paso practicar el uso del osciloscopio de Proteus, conectamos éste al circuito de la misma manera que en Multisim, es decir el canal 1, en este caso A, lo ubicamos a la entrada enseguida de la fuente, el canal B al final de la resistencia 1 e inicio de la 2, el C al final de la 2 e inicio de la 3 y el ultimo canal, el D, puede conectarse al final de la resistencia 3, para así medir los voltajes respectivos. En nuestro caso colocamos los 4 canales a 5V por división y obtuvimos como debía de ser, en el canal A, 12V, en el B, 8V, en el canal C, 4V y por ultimo el canal D el cual se ubica en el eje de las x lo que indica 0V.