ELECTRÓNICATRABAJO PRÁCTICO

USO DE SIMULADOR: ELECTRONIC WORKBENCHDocentes: Jorge Petrosino / Alejandro Rodríguez

Al ejecutar el programa (wewb.exe) deberá aparecer la siguiente ventana.

En la hilera superior (debajo del menú principal) se ve una serie de instrumental de laboratorio electrónico:

Al hacer doble click en alguno de ellos, pueden verse los instrumentos con más detalle.Utilizaremos, en esta etapa, los primeros cuatro, que son los que se relacionan con los sistemas analógicos.Por su parte, también utilizaremos los elementos que se ven en la ventana lateral (un punto de conexiones múltiples, masa, pila, fuentes de alterna, resistencias, capacitores, transformadores y otros). Corresponden al menú pasivo (Passive).

Ejemplo 1. Uso del multímetro

Tomar una fuente de alterna con el mouse y arrastrarla hasta la ventana principal (mientras esté seleccionada tendrá un color diferente). Tomar una resistencia y llevarla a la ventana principal. Mientras esté seleccionada (de color) presionar la combinación de tectlas [Ctrl]+R. Esto provocará que la resistencia rote (ubicándose en forma vertical). Cada vez que aplicamos esa combinación de teclas, el elemento seleccionado rotará 90º.

Si pasamos el extremo del cursor del mouse por la parte superior de la fuente aparecerá un punto negro. Manteniendo presionado el mouse aparecerá un conductor (un cable) que podremos llevar hasta el extremo superior de la resistencia. Podremos obtener la siguiente situación:

Si repetimos la operación con los extremos inferiores lograremos cerrar el circuito. Podemos luego arrastrar el multímetro (tomándolo con el mouse y soltándolo dentro de la ventana central). Luego conectamos el extremo negativo con el punto más bajo de la resistencia (llevando un conector hasta cualquier punto del cable entre el negativo de la pila y la resistencia). Luego conectamos el extremo positivo del instrumento al otro extremo de la resistencia.

Haciendo doble click en el instrumento, debería agrandarse (tal como se ve en el diagrama). Para obtener la medición (en este caso, 12 V) debemos presionar el pulsador que se encuentra en el extremo superior de la pantalla.

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Ejemplo 2. Divisor resistivo

Calcular la tensión que debería obtenerse en la R indicada en el gráfico. Medir esa tensión en el simulador para comparar valores.

Ejemplo 3. Divisor resistivo

Calcular la tensión que debería obtenerse en la R2 = 1KΩ indicada en el gráfico, SI R1 = 2KΩ. Medir esa tensión en el simulador para comparar valores.

Para cambiar el valor en la R del simulador, hay que hacer doble click en ella y aparecerá una ventana que permitirá modificar el valor.

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Ejemplo 4. Medición de corriente

Calcular la corriente que circula por un circuito con una pila de 12 V y dos resistencias en serie de 1 K y 2 K. Medir dicho valor en el simulador y comparar.La medición de corriente se realiza colocando el multímetro en serie (obligando a la corriente a pasar por el instrumento).Si colocamos el instrumento como se muestra en la figura obtendremos – 4 mA. El valor negativo indica que la corriente está entrando por el terminal negativo del instrumento.

Cambiando la conexión de los terminales + y - se obtiene un valor positivo.

NOTA: Si coloco el multímetro como muestra la figura se obtendrá una medición de -12 V. El error está en que no se seleccionó la A, que permite medir ampere. A) Explicar por qué se obtiene en ese caso un valor de –12V. ¿El circuito está abierto o cerrado?

Ejemplo 5. Divisor resistivo en alterna

Medir y calcular el valor de tensión en R2. Para ello debo indicar en el instrumento que mediré alterna (presionando el botón con una senoidal). De otra forma dará un valor cero.

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Ejemplo 6. Uso del osciloscopioPodemos agregar un osciloscopio al circuito anterior. Lo arrastramos y conectamos los puntos indicados en el diagrama.Es posible que al hacerlo veamos un cartel como el siguiente. Indica que para poder simular el comportamiento necesita que alguno de los puntos del circuito se conecte a masa (para asignarle 0 volts).

Una vez conectada la masa tendríamos lo siguiente, si modificamos los valores de la ventana de TIME BASE hasta llegar a 0.01 seg por división, y CHANNEL A hasta obtener valores de 20 V por división (de otro modo se verá un manchón negro, por escala inapropiada del dibujo).

Prestar atención al elemento agregado (símbolo de conexión a masa).

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Un elemento más a considerar es la opción de ZOOM (botón del osciloscopio ampliado). Si lo presionamos veremos lo siguiente 1:

Para comprender un poco más lo que significa el valor de base de tiempos (TIME BASE) y la escala vertical del canal A. Proponemos modificarlos levemente y observar los cambios en el gráfico.

Utilizando las escalas indicadas el valor que se obtiene midiendo con el osciloscopio es mayor que el que se obtiene con el voltímetro.

B) Explicar la causa de la diferencia.

C) Calcular cuánto debería ser el máximo de la senoidal y comparar con la lectura que puede hacerse del gráfico.

D) Calcular el período de la señal en base a la información de la fuente que colocamos y comparar con la medición hecha en base a la escala.

1 NOTA: Presionando el botón REDUCE, volvemos a la situación anterior.Ejercicios de simulación – Electrónica – Petrosino - 6

20 V/div

0.01 seg /div

E) Cuales deberían ser la tensión y frecuencia de la fuente de alterna de modo que el gráfico que se obtenga sea el siguiente. NOTA: Prestar atención a las nuevas escalas indicadas en el osciloscopio.

Se sabe que el valor máximo medido con el osciloscopio es de 4.71 V. Notar que las marcas en la pantalla indicadas con dos líneas que parten de los triángulos 1 y 2 pueden moverse con el mouse. Las lecturas que aparecen en los cuadros inferiores indican los valores de tensión y tiempo correspondientes a esas marcas.

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censurado

censurado

Ejemplo 7. Medición de resistenciasColocando el multímetro en Ω, podremos medir resistencias.

Esto nos permitirá testear en el simulador los cálculos de resistencia equivalente.Al colocar, por ejemplo, estas dos resistencias en paralelo obtendremos una lectura de 667 Ω.

NOTA: Recordar el uso de [Ctrl] + R para rotar el elemento seleccionado, de modo que quede más claro el diagrama del paralelo.

Ejemplo 8. Combinación de serie y paralelo.

Ejemplo 9. Determinación del equivalente de Thevenin.

Calcular el equivalente de Thevenin del siguiente circuito y luego medir los parámetros en el simulador.

Nota: Para colocar un nombre a la resistencia Rx, debemos seleccionarla y buscar en el menú Circuit la opción Label (o presionar la combinación de teclas [Ctrl] + L). Del mismo modo pueden seleccionarse los nodos y colocarse el nombre A y B.

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Para obtener la VTh debemos medir la tensión entre A y B, cuando la Rx no está conectada.

VTh = 8 V.

Para obtener la RTh debemos medir la resistencia entre A y B, con la fuente pasivada y sin la Rx.

RTh = 8 Ω

Construimos ahora el circuito equivalente de Thevenin y comparamos las mediciones de tensión y corriente sobre Rx.

Obtenemos que Vx = 4.444 V

Midiendo la corriente Ix, obtenemos 444 mA.

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Comprobemos ahora con el circuito original.

Si se cambia el valor de Rx (por ejemplo a 160 Ω) podremos ver que las mediciones dan igual en el circuito original y en el equivalente de Thevenin (sin tener que recalcularlo).

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CIRCUITO ORIGINAL

CIRCUITO EQUIVALENTE DE THEVENIN

Ejemplo 10. Uso de dos canales en el osciloscopio

En el siguiente circuito observaremos la tensión en dos puntos del circuito de modo simultáneo.

La senoidal de mayor amplitud corresponde a lo medido por el canal A (que es la tensión de fuente, 220 V, 50 Hz). Como estamos utilizando una escala de 100 V/div y la onda supera las tres divisiones, el valor pico es de más de 300 V (220x1.4 = 311 V), para 220 de valor eficaz.La senoidal de menor amplitud corresponde al canal B (tensión sobre la resistencia de 50 ohms).

Es importante notar que si reemplazamos el cable que va desde el conector GROUND del osciloscopio hasta el polo negativo de la fuente (que además está conectado a masa), por una conexión a masa, el circuito no se modifica en absoluto y se simplifica el dibujo utilizado.

En un mismo circuito puede haber varias conexiones a masa en distintos lugares simbolizando que todos esos puntos se conectan juntos a masa.

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Ejemplo 11. TransformadoresEn el siguiente circuito se mide el primario de un transformador 2:1 en el canal A (220V) y el secundario en el canal B (110V). Existen tres conexiones de masa. Una en el primario, otra en el secundario y una tercera en el osciloscopio. Hay que interpretar que estos tres puntos están conectados entre sí.

Para cambiar los parámetros del transformador hay que hacer doble click en él, y luego presionar Edit.

El valor “Primary-to-secondary turns ratio (n)” es el valor de relación de transformación que llamamos “a”. En este ejemplo estamos utilizando un transformador de relación 2:1, o lo que es lo mismo de relación a=2. Los otros parámetros pueden dejarse como están.

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Ejemplo 12. Resistencia equivalente vista desde el primario

El multímetro no permite medir la Requivalente vista desde el primario (se obtiene siempre el valor cero). Sin embargo, podemos calcular esta R equivalente dividiendo la tensión de fuente

(en el ejemplo 10V) por la corriente medida (25 mA). Esto da una Requiv de 400 ohms.

R’ = a2.R = 4.100 = 400 ohms

F) Resolver el siguiente circuito, primero por cálculos y luego simulando y midiendo los valores de tensión en R1 y R2.

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Ejemplo 13. Adaptación de impedancias por transformador

Armar el siguiente circuito y medir en el osciloscopio el valor de tensión en la fuente y en el secundario.

G) Calcular la relación de transformación necesaria para adaptar impedancias. Calcular el valor de tensión en el secundario y comparar con la simulación.

Se obtendrá un valor cercano a 1 volt eficaz en el secundario.

H) Repetir el caso anterior para una R1 de 50KΩ con una R2 de 2Ω, comparando resultados entre un transformador 2:1 y el transformador óptimo para adaptar impedancias.

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Ejemplo 14. Carga y descarga de un capacitorPara el siguiente ejemplo hay que incorporar a los elementos ya utilizados un capacitor y una llave. La llave se encuentra en el menú de “Control” (está tres lugares después de la resistencia que simboliza el menú “Passive”).

La llave aparecerá con una leyenda que dice [Space]. Esto significa que mientras la simulación esté en funcionamiento la presión en el teclado de la barra espaciadora modificará la posición de la llave2. La llave tiene dos posiciones y tres contactos. No es necesario utilizar todos los contactos. Para colocarlo como se muestra en el circuito de ejemplo fue necesario rotar dos veces la llave. Al presionar Espacio comenzará a cargarse el capacitor. Notar que se eligieron los valores de R, de C y de escala temporal del osciloscopio de modo que se vea cómodamente la curva de carga del capacitor.

Si abrimos y cerramos la llave periódicamente (presionando repetidamente la barra espaciadora) se obtendrán gráficos como el siguiente:

2 Es posible modificar la tecla que controla a la llave, simplemente clickeando en la llave.Ejercicios de simulación – Electrónica – Petrosino - 15

Ejemplo 15. Filtro pasa bajos

En el ejemplo mostrado se utilizó una fuente de 5 V, con una frecuencia de 0.4 Hz. La escala temporal del osciloscopio es de 0.5 seg/div y la vertical es de 2V/div para ambos canales.

I) Repetir para R = 1KΩ y C = 2 µF, con una fuente de frecuencia de 20 Hz. Tener en cuenta que será necesario que la escala temporal del osciloscopio se relacione con el valor de la constante de tiempo y/o con el período de la fuente para que pueda verse la señal en el osciloscopio

J) Repetir para R = 1KΩ y C = 2 µF, con una fuente de frecuencia de 200 Hz.

K) Repetir este último caso con una frecuencia de 2KHz.

L) Cambiar la ubicación de R y C, de modo que se comporte como pasaltos. Repetir los ejemplos I, J, y K con este nuevo caso. Si les resulta poco claro lo que se ve puede desconectarse el canal A (de la fuente) o presional el botón “0” entre AC y DC de controles de canal del osciloscopio. Esto dejará visible sólo el canal B. Discutiremos luego lo que sucede en este caso.

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Ejemplo 15. Filtro pasa bajos con fuentes de alternaConectar el siguiente circuito

M) Aumentar el valor de la frecuencia de fuente hasta 500 Hz. ¿Qué pasa con la señal de salida? Observar el osciloscopio y el multímetro.

N) Disminuir el valor de la frecuencia de fuente hasta 20 Hz. ¿Qué pasa con la señal de salida? Observar el osciloscopio y el multímetro.

O) Repetir para f = 2 Hz (deberá modificarse la escala del osciloscopio para que la señal pueda verse claramente).

Estos últimos casos corresponden a tener un circuito con valor fijo de τ e ir modificando la frecuencia. Puede verificarse que las frecuencias bajas “pasan” mientras que las altas son atenuadas.

El mismo tipo de fenómeno puede apreciarse manteniendo fija la frecuencia (en 100 Hz, por ejemplo) y variando el valor de τ de modo que cuando el τ es muy chico (carga rápida) la señal de carga es casi igual a la de fuente. Cuando τ tiene valores intermedios la señal de carga es algo menor a la de fuente y está desfasada. Por último, cuando τ es muy grande (carga lenta), la señal de carga es tan pequeña que casi no se ve a menos que se modifique la escala vertical del osciloscopio. En ese último caso se notará que el desfasaje tiende a ser de 90º.

P) Experimentar variando el τ para ver en el osciloscopio las señales mencionadas.

Q) Repetir estos últimos ejercicios sobre senoidales con un filtro pasaaltos.

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