I. Objetivos
Conocer y utilizar software de simulación y aplicarlo al cálculo y evaluación de circuitos eléctricos. Evaluar y reforzar el aprendizaje de los temas de laboratorios anteriores.
II. Material y Equipo
PC con software de simulación Livewire III. Fundamento Teórico
En el presente laboratorio se trabajará con software de simulación a fin de recordar y reforzar los temas vistos en las sesiones anteriores. Por tanto, será relevante el fundamento teórico de todos los laboratorios anteriores.
Al hablar de Simulación por Computadora, estamos utilizando herramientas informáticas con el fin de reducir costo, tiempo y/o riesgo en la elaboración de sistemas reales a través de modelos. El
modelamiento es parte importante de cualquier proceso de diseño. Se buscará reflejar de la mejor forma posible el sistema real que se quiera representar, a fin de obtener del modelo conclusiones que sean aplicables al caso real.
En particular se usará modelamiento por computadora para simular aquellos sistemas que son
fácilmente explicables a través de modelos matemáticos, pero cuyo cálculo pudiera ser largo y tedioso, especialmente si son sistemas que cambian en el tiempo y resulta totalmente inviable realizar cálculos o mediciones demasiado frecuentes en el tiempo.
Los sistemas eléctricos y electrónicos cumplen con estas características. La mayoría de dispositivos eléctricos y electrónicos tienen comportamiento ya modelado desde el punto de vista matemático y por tanto se pueden utilizar durante la simulación por computadora. El cálculo manual resultaría muy tedioso tratándose de circuitos que cambian con el tiempo y, en particular, cuando algún dispositivo presente un comportamiento no lineal (como sucede con muchos dispositivos electrónicos).
En este laboratorio utilizaremos el software Livewire – Professional Edition, programa de simulación eléctrica y electrónica poderoso y simple de usar.
Debe tenerse en cuenta que los resultados de un proceso de simulación siempre dependerán de la calidad de los modelos utilizados. Se deberá considerar el error probable en función a la precisión de estos modelos. En particular, el software Livewire permite trabajar con modelos bastante precisos, incluso elegir entre dispositivos "reales" ó "ideales", entendiéndose por esta distinción como una elección entre modelos más complejos o simples para los mismos dispositivos. Por ejemplo, un cable se podría considerar como un cable ideal (sin resistencia) o como un cable real en el que además de resistencia por unidad de longitud también se tenga otros parámetros (capacitancia o inductancia) que pudieran afectar el comportamiento del sistema simulado.
Dependerá del experimentador determinar cuándo es relevante el efecto de la simulación a través de modelos más complejos. Esta situación es análoga a considerar el efecto de los instrumentos de medición dentro del sistema a ser medido. Por ejemplo, sabemos que un amperímetro ideal debe comportarse como un circuito cerrado, pero un amperímetro real se comporta como una resistencia muy baja. Será labor del experimentador determinar cuándo esa resistencia baja puede afectar a la propia medición, es decir, cuando se esté midiendo la corriente a través de una resistencia de carga lo suficientemente baja como para que el amperímetro en serie represente una pérdida relevante.
En el presente laboratorio también haremos una breve introducción de los Condensadores. El
Condensador es un elemento capaz de almacenar carga eléctrica hasta cierto límite, en función de su propiedad llamada Capacitancia, que se mide en Faradios.
La Capacitancia de un condensador se define como la relación entre la Carga almacenada en él (Q) y la tensión entre sus terminales, necesaria para almacenar dicha carga (U). De esta manera:
C = Q / U
IV. Procedimiento
1. Abra el programa Livewire. Si aparece una ventana titulada Start Here, elija ahí la opción Electric Circuits a fin de abrir la carpeta de circuitos eléctricos dentro de los ejemplos disponibles en el programa. Si no aparece dicha ventana, utilice la opción del menú File, Open, elija la carpeta C:\ Archivos de programa\New Wave Concepts\LiveWire\Examples\Electricity. Seleccione el archivo Bulb Circuit.lvw y ábralo.
2. Se abrirá una simulación de un circuito simple con una lámpara incandescente conectada en serie con una batería de 6 voltios y un interruptor, de acuerdo con los gráficos siguientes:
Current Flow: Simulación que muestra la corriente que circula por el circuito, en color rojo cuando esté a mayor potencial y en color verde cuando sea menor.
Voltage Levels: En este caso se muestra una pequeña barra roja en los puntos que están a un potencial
positivo y una barra azul en aquellos negativos. 3. Además se mostrará una galería incluyendo nuevos dispositivos a
colocar dentro de un circuito. En ella podrá elegir entre diferente tipo de fuentes de alimentación y baterías, dispositivos resistivos
(Resistencias fijas y Resistencias variables según algún parámetro, sea este la posición de un cursor, la temperatura del dispositivo, la luz incidente, etc. En caso de cerrarse esta ventana podrá abrirla presionando Ctrl+F2.
4. También dispondrá de diferentes tipos de conectores, terminales de conexión, instrumentos de medición, dispositivos de salida como lámparas o zumbadores, motores, interruptores, etc.
5. En el caso de nuestro primer circuito tenemos una lámpara, una batería y un interruptor. Podrá verificar que la lámpara se enciende cuando activa el interruptor (haciendo clic con el mouse).
6. Hay que notar que, como se trata de un circuito de ejemplo dentro del programa, se encuentra protegido a fin de evitar modificaciones. Por tanto procederemos a guardar una copia del circuito y en ella realizaremos algunas modificaciones luego de desprotegerla. Seleccione el menú File, Save As y coloque el nombre Bulb Circuit Modificado.lvw y elija guardar. Posteriormente, en este nuevo archivo, elija la opción File, Unprotect Document a fin de modificarlo.
7. Debe notar que, por defecto, el archivo se abrió en el modo de ejecución de la simulación. Note en los iconos de la parte superior que está seleccionado el botón Play. A fin de
realizar modificaciones debe presionar el botón de Stop (cuadrado negro). Posteriormente se volverá a ejecutar la simulación con el botón Play. 8. Coloque un amperímetro en serie con la lámpara. Para ello, del
grupo Measuring elija Ammeter. Elimine el cable inferior del circuito y reemplácelo por el amperímetro. De ser necesario rote el
9. Active el botón Play. Ahora el circuito está funcionando pero la lámpara no enciende pues el interruptor SW1 no está activado. Haga clic en SW1 y compruebe que la lámpara se enciende. Además, según en modo de visualización en el que se encuentre, podrá ver las barras de color que indiquen mayor o menor potencial (en el modo Voltage Levels) o la corriente fluyendo, de color rojo en el cable que está a mayor potencial y de color verde en el de menor (modo Current Flow). 10. Tome nota de la medición del amperímetro, incluyendo las unidades: __________
11. Considerando que la fuente es de 6V, determine el valor de resistencia de la lámpara: __________ 12. Calcule la potencia que está siendo utilizada por la lámpara: __________
13. Coloque otras dos lámparas en paralelo. Puede sacarlas del grupo Output Components, o hacer copias de la lámpara ya existente. Haga las conexiones jalando con el mouse el cable de cada terminal de la lámpara y conectándolo en el punto de conexión adecuado.
14. Active la simulación y tome nota de la medición del amperímetro: __________
15. Determine el valor de resistencia equivalente de las 3 lámparas en paralelo: __________ 16. Calcule la potencia que está siendo utilizada por las 3 lámparas: __________
17. ¿Qué conclusión puede sacar del comportamiento del circuito bajo esta nueva configuración?
18. Ahora modifique el circuito para tener una lámpara en serie con las otras dos (que están en paralelo). Para esto, tendrá que eliminar el cable que une a la lámpara 1 con el
interruptor, y en su lugar colocar una de las otras lámparas. De ser necesario mueva hacia arriba el interruptor a fin de hacer espacio para la nueva lámpara.
19. Active la simulación y tome nota de la medición del amperímetro: __________
20. ¿Por qué cree que las dos lámparas en paralelo no se encienden con la misma intensidad que la lámpara que está en serie con ellas?
21. ¿Cuánto debe ser la Intensidad de Corriente por la lámpara en serie? __________ 22. ¿Cuánto debe ser la Intensidad de Corriente por cada lámpara en paralelo? __________ 23. Calcule la potencia utilizada por cada lámpara: __________ __________ __________ 24. Calcule la potencia que está siendo utilizada por las 3 lámparas: __________
25. ¿Coincide esta potencia calculada con la suma de las tres potencias individuales? __________ 26. Abra el archivo Landing Light.lvw.
28. Abra el archivo Capacitor Charging.lvw que representa otro tipo de dispositivo que puede estar presente en un circuito, el Condensador, capaz de almacenar carga eléctrica hasta cierto límite, en función de su propiedad llamada Capacitancia, la que se mide con una unidad llamada Faradio y sus submúltiplos, el microFaradio (μF), picoFaradio (pF) y nanoFaradio (nF).
29. La Capacitancia de un condensador se define como la relación entre la Carga almacenada en él (Q) y la tensión entre sus terminales, necesaria para almacenar dicha carga (U). De esta manera:
C = Q / U
30. Por tanto, una capacitancia de 1 Faradio
corresponderá a 1 Coulombio de carga almacenada gracias a una diferencia de potencial de 1 Voltio entre
los extremos del condensador. El Faradio es una unidad bastante grande, es por ello que se utilizan sus submúltiplos, el microFaradio (μF), picoFaradio (pF) y nanoFaradio (nF).
31. El circuito muestra el comportamiento de un condensador cuando se conecta a una fuente a través de una resistencia en serie (posición superior del interruptor SW1). Podrá observar que el
condensador va acumulando carga conforme pasa el tiempo desde que se enciende el circuito, y esa acumulación de carga se traduce en una diferencia de potencial entre sus extremos, que se opone al ingreso de nuevas cargas.
32. En cada instante de tiempo, la caída de tensión entre los extremos de la resistencia será la diferencia entre la tensión de la batería y la tensión en ese momento en los extremos del
condensador. Eventualmente el condensador se cargará hasta el nivel de tensión de la batería, en cuyo caso no circulará ninguna corriente a través de la resistencia.
33. Cuando movemos el interruptor SW1 a la posición inferior, la resistencia queda con un extremo conectado a tierra y el otro al condensador, que se encuentra cargado. En este momento, dado que el condensador tiene una diferencia de potencial entre sus extremos relacionada con la cantidad de carga almacenada, empieza a suministrar corriente a la resistencia en sentido inverso al que tuvo la corriente durante la carga del condensador. Esta corriente circula hasta que el condensador ya no tenga carga almacenada (recuerde que la Intensidad de Corriente se define como la Cantidad de Carga en Movimiento por un circuito).
34. Dibuje la gráfica de voltaje instantáneo que se obtiene durante la carga del condensador
(interruptor SW1 en la posición superior). Determine en cuánto tiempo llega desde una tensión cero
35. Dibuje la gráfica de voltaje instantáneo que se obtiene durante la carga del condensador (interruptor SW1 en la posición superior). Determine en cuánto tiempo llega desde la tensión
máxima (9 voltios) hasta un tercio de ésta (3 voltios): __________
36. Se define la constante de tiempo del circuito, τ = R.C donde R es la resistencia y C la capacitancia del condensador. Las unidades de τ serán en segundos y se puede demostrar que es el tiempo que demora el circuito en cargarse hasta dos tercios del valor máximo o en descargarse hasta un tercio de éste. Calcule el valor de τ para el circuito: __________
37. Verifique que τ tenga el mismo valor que los determinados en las gráficas de los puntos 34 y 35
V. Observaciones y Conclusiones:
