Mediciones e instrumentación: parámetros eléctricos básicos

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Universidad de Sonora

Facultad Interdisciplinaria de Ciencias Exactas y Naturales

Departamento de Investigación en Física (DIFUS)

Ingeniería en semiconductores

Práctica #3:

Medición de parámetros eléctricos.

Materia: Medición e Instrumentación.

                Docente: Dr. Francisco Javier Arizaga Ayala.

Equipo:

§ Hernández Orantes, José Ángel.                        (219205086)

§ López Cumming, Allain Esteban.                        (216212745)

§ Sánchez Salgado, Leo Joel.                                (223205226)

§ Valencia de los Reyes, Javier Ulises.                (223214554)

§ Valenzuela Duarte, Sofía.                                (223202783)

Fecha de elaboración: 21/Febrero/2025            Fecha de entrega: 23/Marzo/2025

Introducción:

Los circuitos eléctricos y electrónicos tienen muchos componentes y parámetros, tales como la impedancia y el ángulo de fase, pero para todos ellos existen tres parámetros principales: resistencia, capacitancia e inductancia. Estos elementos pasivos constituyen los bloques básicos para el diseño y análisis de circuitos:

• Resistencia: La resistencia eléctrica representa la oposición que un material ofrece al flujo de corriente eléctrica. Medida en ohmios (Ω), la resistencia se define mediante la Ley de Ohm como la relación entre voltaje y corriente (). Físicamente, la resistencia depende de factores como:[pic 2]

• Resistividad del material.
• Longitud del conductor.
• Área de sección transversal.
• Temperatura.

En circuitos de corriente directa (DC), las resistencias limitan el flujo de corriente, mientras que en corriente alterna (AC), contribuyen a la impedancia total del circuito sin introducir desfase entre voltaje y corriente.

• Capacitancia: La capacitancia representa la capacidad de un componente para almacenar carga. Se define como la carga eléctrica por unidad de voltaje ( ). Medida en faradios (F), la capacitancia de un condensador depende de:[pic 3]

• Área de las placas.
• Distancia entre las placas.
• Constante dieléctrica del material aislante.

En DC, los capacitores actúan como circuitos abiertos tras un periodo de carga inicial. En AC, presentan una reactancia capacitiva () que varía inversamente con la frecuencia, introduciendo un desfase de -90° entre corriente y voltaje.[pic 4]

• Inductancia: La inductancia representa la propiedad de un componente para almacenar energía en forma de campo magnético. Se define como el flujo magnético de una bobina con N vueltas que hay por unidad de corriente (). Medida en henrios (H), la inductancia de una bobina depende de:[pic 5]

• Número de espiras.
• Área de sección transversal.
• Permeabilidad del núcleo.
• Geometría de la bobina.

En DC, los inductores actúan como cortocircuitos tras un periodo transitorio. En AC, presentan una reactancia inductiva () que aumenta proporcionalmente con la frecuencia, introduciendo un desfasaje de +90° entre corriente y voltaje.[pic 6]

Existe una relación directa entre el voltaje de un inductor y su propia inductancia y corriente: .[pic 7]

Utilizando la Ley de voltajes de Kirchhoff y las diversas ecuaciones de voltaje con cada parámetro eléctrico fundamental, se puede modelar una ecuación que integre las contribuciones de un resistor, un capacitor y un inductor resultantes en serie en un circuito de una malla:

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Esta es la ecuación de un circuito LCR, resolviéndola se puede conocer con exactitud el comportamiento de la corriente y carga de su capacitor resultante [3].

Por otro lado, complementando el desarrollo teórico, existe un instrumento muy preciso para medir los tres parámetros en la práctica: los medidores LCR son instrumentos de alta precisión, diseñados para medir los ya mencionados parámetros de manera confiable. Estos dispositivos sofisticados operan principalmente según el principio de puente de impedancias (puente de Wheatstone). Los medidores LCR modernos pueden operar en múltiples frecuencias (típicamente desde 100Hz hasta 100kHz), siendo extremadamente precisos para circuitos sean ya AC o DC, y ofrecen precisiones de hasta 0.05%, justo y necesario para aplicaciones de investigación y desarrollo [1].

Por último, existe algo llamado Método de Constante de Tiempo, que sirve para aproximar el tiempo necesario de ciertas operaciones del circuito [2]:

• En un circuito RC, la constante de tiempo (τ = RC) define el tiempo necesario para que un capacitor se cargue o descargue al 63.2% de su valor final. Deducido de su expresión matemática respectiva: , E: Voltaje de fuente.[pic 10]
• En un circuito RL, la constante de tiempo (τ = L/R) representa el tiempo requerido para que la corriente alcance el 63.2% de su valor final. La ecuación que describe la evolución de la corriente es: , Is: Corriente máxima.[pic 11]

Una propiedad útil de este resultado es que, pasados los 5τ, se considera que tanto la carga del capacitor como la corriente del inductor llegan al 99.3% de su valor final, prácticamente el 100%.

Objetivos:

• Medir y analizar los parámetros eléctricos de resistencia, capacitancia e inductancia utilizando multímetros, medidores LCR y el método de constante de tiempo en circuitos RC y RL.
• Comparar los resultados obtenidos y evaluar los errores absolutos y relativos.

Lista de Materiales:

• Multímetro digital.
• Osciloscopio.
• Generador de señales.
• Protoboard.
• Fuente de alimentación DC ajustable (0-12 V).
• Resistencias comerciales (1 kΩ y 10 kΩ).
• Capacitores (10 nF y 100 nF).
• Bobinas de inductancia (10 mH y 100 mH).
• Cables de conexión (caimanes o banana)

Procedimiento:

Parte 1: Medición de resistencia.

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Parte 2: Medición de capacitancia.

1. Medición directa con el medidor LCR:

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1. Medición usando la constante de tiempo en un circuito RC:

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Parte 3: Medición de inductancia.

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