EX2 COMPONENTS I CIRCUITS (GRUP 1AM2) G________

Després d’estudiar la Sessió 2 i completar aquesta tasca, heu de ser capaços de: (marqueu tots els ítems que calgui)

Analitzar resistències en sèrie i en paral·lel, i divisors de tensió i de corrent

Cercar resistències normalitzades i els codis de colors i toleràncies

Cercar informació (catàlegs) sobre elements de circuit passius i actius

Analitzar les especificacions tècniques bàsiques d’un multímetre analògic (escales, mode d’ús, AC/DC, etc.)

Explicar el funcionament d’un indicador de panell de bobina mòbil

Explicar quin és el flux de disseny: des de les especificacions inicials fins a la solució amb simulació i muntatge

Aplicar els conceptes de mobilitat de generadors i divisors de tensió i corrent per resoldre un circuit senzill amb resistències: Obtenció de les equacions de disseny.

Descriure el funcionament , l’ús i la precisió d’un:

o Voltímetre

o Amperímetre

o Òhmmetre

Explicar els passos a seguir per realitzar la simulació d’un circuit amb resistències i fonts independents en Proteus-VSM.

Muntar circuits elèctrics senzills usant el board i seguint les indicacions

Mesurar correctament amb el multímetre. voltatges, corrents i resistències

Documentar l’exercici de CiC usant els criteris de qualitat donats:

http://epsc.upc.edu/projectes/ed/unitats/unitat_1_1/Criteris_Correccio_Exercici.pdf

Treballar en cooperació amb els altres 2 companys de grup usant la metodologia descrita:

http://epsc.upc.edu/projectes/ed/problemes/metode_resolucio_cooperativa_recomanat.pdf

Escriviu les qüestions o els dubtes més significatius que heu tingut mentre resolíeu l’exercici, o bé una vegada l’heu acabat:

-

-

1

-

-

DECLARACIÓ:

La meva signatura a sota indica que jo: (1) he contribuït raonablement i equitativament a la solució de l’EX2 com a membre del grup; (2) he llegit i estic completament d’acord amb el contingut (per exemple, resultats, conclusions, anàlisis, simulacions, muntatges, etc.) descrit en el document; i (3) reconec amb el nom qualsevol altre persona de fora de classe o d’un altre grup cooperatiu que ens hagi ajudat a completar l’exercici.

Data d’avui: __________________

Membres del grup actius Roles: (reporter, simulador, muntador, etc.)

(1) ___________________________ _______________

(2) ___________________________ _______________

(3) ___________________________ _______________

Reconeixement de les persones o grups que han assistit aquest grup a completar el document:

(1) _______________________

(2) _______________________

Temps d’estudi

(en hores)

En grup Sessions TGA, TGB

Sessions TGC

Individual Estudiant 1

Estudiant 2

Estudiant 3

I ara amb els instruments ....

com funciona el multímetre?

Volem dissenyar un multímetre senzill de corrent continu (DC) que tingui les característiques assenyalades a la Fig. 1. Per visualitzar la mesura triarem l’amperímetre d’agulla representat a la Fig. 2 perquè per usar el display digital de 7 segments encara hem de cursar l’assignatura ED i 2

els circuits amb amplificador operacionals. El que farem serà substituir l’escala de 0–100 de l’amperímetre que hem comprat1, per una altra com la de la Fig. 3 de forma que l’agulla ens indicarà directament la mesura realitzada.

Voltatge DC Escales 0,25 – 10 – 50 – 250 – 1000 V

Resistència d’entrada 2,5 kΩ a l’escala inferior

Amperímetre DC Escales 250 µA, 10mA - 250 mA - 5A

Resistència d’entrada 200 Ω a l’escala inferior

Òhmmetre Escales 100 Ω - 1 k Ω - 10 kΩ - 100 kΩ

Precisió : 5% en totes les escales

Fig. 1 Característiques del voltímetre

1. Cerqueu als serveis tècnics de l’escola, a la biblioteca o a través d’Internet, el datasheet (manual) d’un instrument multímetre analògic de mesura. Feu còpia del full de característiques, comproveu si són similars a les presentades a la Fig. 1 i observeu si pel manual hi ha també l’esquema elèctric de l’instrument.

Fig. 2 Exemple d’un indicador analògic i d’un de digital

Fig. 3 Full d’escales que col·locarem al visualitzador i commutador rotatiu

... dissenyem, simulem i muntem el voltímetre ....

1 http://es.rs-online.com 3

2. Anem pel voltímetre. A la Fig. 4 es mostra un dels possibles esquemes pel voltímetre i volem dissenyar-lo per tal de tenir totes les característiques de la Fig. 1. Segons el catàleg (codi RS 196-8610) l’indicador de la bobina mòbil té un fons d’escala de 50 µA i una resistència de 1 kΩ. Obteniu les equacions algebraiques de disseny una vegada hàgiu analitzat el circuit. A partir de les escales que volem aconseguir dissenyeu el valors (ideals) de les resistències.

RE

µA+0.00

microamperímetre d'agulla

m(50 A - 1 k )W

+

VOLT SCALE

RD RC RB RA

RS

V+ V-

1000 V

250 V

50 V 10 V

250 mV

OFF

+ -

Fig. 4 Circuit del voltímetre

3. Ara escolliu valors comercials per les resistències segons les sèries E24, E48, etc. (bàsicament el Problema 2.1 de la col·lecció o la recerca de la llista de valors comercials segons la tolerància). Realitzeu els càlculs sobre la precisió de les mesures, per comprovar que l’instrument està dins dels límits.

4. Simuleu el circuit anterior en Proteus-VSM i verifiqueu els vostres càlculs. Useu els instruments virtuals per comprovar que l’agulla es desviarà segons el valor de la tensió que volem mesurar. Com que no tenim el model de l’indicador d’agulla, hem usat un model equivalent amb un amperímetre que ens dóna la lectura.

5. Munteu al laboratori (en el breadboard) el voltímetre i verifiqueu que funciona correctament. Si no disposeu de l’instrument d’agulla, substituïu-lo per una resistència fixa i l’amperímetre del laboratori (aneu amb compte perquè aquest instrument, treballant com amperímetre a l’escala inferior presenta una resistència d’entrada que no és la ideal de 0 Ω sinó d’1 kΩ, vegeu-ne les característiques2), tal com heu fet amb el simulador.

... ara l’amperímetre ....

6. Repetiu els passos (2), (3), (4) i (5) pel circuit de la Fig. 5

2 http://epsc.upc.edu/projectes/ed/CiC_1AT3/EX/amperimetre_caracteristiques.pdf4

µA+4.95

microamperímetre d'agulla

m(50 A - 1 k )W

+

RD RC RB RA

Ap

An 5 A

250 mA

10 mA

250 A

ON/OFF

+

-SELECTOR D'ESCALA

50 A

m

m

Fig. 5 Circuit proposat per l’amperímetre amb la indicació de les escales de mesura de corrent que volem assolir

5

... ara l’òhmmetre ...

L’òhmmetre analògic és diferent dels muntatges anteriors perquè l’escala no és lineal sinó logarítmica i té tot el rang de mesura, des del 0 Ω fins als ∞ Ω. Vegeu Fig. 6 que és bàsicament una ampliació del que vèiem ja a la Fig. 3. Així que solament obtindrem una lectura aproximada del valor de les resistències a mesurar. Més informació sobre la teoria d’aquest instrument la podeu consultar a la web All About Circuits3.

Fig. 6 Escala no lineal per l’òhmmetre analògic4

7. Deduïu el mode de funcionament i les equacions de disseny per l’escala de 100 kΩ. És a dir, 100 kΩ ha de ser el valor mesurat de mitja escala. Quina és la resistència que hem de posar per a que l’òhmmetre se’ns desviï ¼ d’escala?, i per a que se’ns desviï ¾ d’escala?

8. Deduïu la resta d’equacions de disseny i calculeu el valor per les altres escales de 10 kΩ, 1 kΩ i 100 Ω.

VP

5V

RB

µA+23.1

microamperímetre d'agulla

m(50 A - 1 k )W

+

RD

RC

RS

OHM- OHM+

100 k

100

1 k

10 k

+-

WW

W

W

Fig. 7 Circuit proposat per a l’òhmmetre analògic

9. Realitzeu la simulació per comprovar que el vostre circuit funciona correctament abans de muntar-lo al breadboard del laboratori. Col·loqueu diverses resistències entre els terminals i apunteu les lectures del microamperímetre.

3 http://www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_8/6.html

4 Gràfic obtingut de: http://www.wisc-online.com/objects/index_tj.asp?objID=DCE7104 6

10. Aquest circuit, com que ha de fer córrer corrent per la resistència desconeguda per poder determinar el seu valor, ja és actiu. Fixeu-vos que requereix una bateria de 5 V. Per això s’escau la pregunta... com solucionareu el problema de que la pila es va gastant poc a poc? Com influeix sobre la precisió en què feu les mesures? Hi ha alguna forma de continuar fent mesures correctament encara que la pila es descarregui una mica, per exemple fins als 4 V?

7

... i sobre l’’òhmmetre de nul de precisió?

(si voleu deixeu aquest apartat per l’exercici EX3,en el qual s’analitzarà el pont sistemàticament)

11. A la col·lecció de problemes, teniu alguns exercicis sobre el pont de Wheatstone5 que permet mesurar resistències amb molta precisió, tot usant indicadors analògics.

a. Expliqueu en què consisteix i el procediment que s’ha de seguir per poder mesurar resistències de forma precisa usant un instrument d’agulla com el d’aquests exercicis. Obteniu l’equació característica del pont.

b. Calculeu els valors de les resistències del pont per mesurar resistències a la dècada entre 1Ω i 10Ω.

c. Captureu el vostre circuit en Proteus i simuleu-lo.

d. Realitzeu el muntatge al laboratori per verificar que funciona correctament usant en lloc de l’instrument d’agulla, el microamperímetre.

.................................

12. I les altres preguntes, ja són per a les properes setmanes d’aquest curs de CiC...

a. Com es fa una bateria de 5 V?

b. Com aconseguim que encara que es vagi gastant la seva energia, continuï donant els 5 V durant molta estona?

c. Ara que hem de fixar-nos en el medi ambient... com es dissenya el carregador de bateries per no haver de comprar cap bateria més i poder-les reutilitzar-la una vegada i una altra?

5 Per exemple, aquí teniu informació: http://fr.wikipedia.org/wiki/Pont_de_Wheatstone i també podreu veure qui era físic inventor que el va popularitzar: Charles Wheatstone8

d. Com s’ha de fer l’alimentació d’un instrument que també pugui treballar amb la xarxa elèctrica de 220 V / 50Hz ?

13. I parlant encara d’instruments...per quan arribin els AO’s .....

a. Com s’ha de fer un òhmmetre modern digital que doni realment el valor de les resistències amb molta més precisió sobre un indicador de dígits de 7 segments com el representat a la Fig. 2?

b. Serà complicat o no realitzar instruments que mesurin altres magnituds físiques... com ara temperatura, pressió, etc.? Podrem aprofitar tot això que hem après sobre voltímetres, amperímetres i òhmmetres?

c. Per exemple, com deu ser el projecte de disseny d’un tacòmetre de cotxe que mesura la velocitat en què circula directament sobre una escala graduada en km/h? Fixeu-vos que podríem aprofitar el mateix indicador d’agulla de la Fig. 2 però amb un altre paper darrere que indiqui km/h.

9

COMPONENTS I CIRCUITS (GRUP 1AM2) G________

Pla de treball6 per resoldre l’exercici EX____

Expliqueu suscintament en aquesta pàgina la manera en què el grup cooperatiu ha organitzat la realització de l’exercici, és a dir, quin ha estat el vostre pla de treball:

de quina forma us heu dividit les tasques per tal que més o menys tots hàgiu treballat un temps semblant,

com us heu organitzat per aprendre el material que han treballat els companys de grup,

què és el que heu fet a classe (TGA), al laboratori (TGB) o bé heu deixat per a la sessió de treball fora de l’horari lectiu (TGC), etc, etc.

Escriviu també quines han estat les vostres opinions o impressions respecte d’aquest exercici, sobre com ha funcionat el treball en grup7, sobre com va l’assignatura, sobre què n’esperàveu, etc. ...

6 Aquesta pàgina s’ha d’afegir obligatòriament signada i complementada al final de l’exercici abans de lliurar-lo, i també podrà formar part de la carpeta de curs de grup.

7 Altres documents similars podeu trobar-los a http://epsc.upc.edu/projectes/ed/unitats/ED_05-06_Q1_Autoavaluacio_Grup_Base.pdf, i http://epsc.upc.edu/projectes/ed/unitats/que_va_malament_al_grup.pdf 10

---------------------------------- -------------------------------------- -------------------------------------

Nom, data i signatura dels membres actius del grup

11