Aceleración de la gravedad

Medición de g

Introducción:

Muchos colegios de electrónica cuentan ya con osciloscopios digitales.
No en todos los casos, sin embargo, se cuenta con equipamiento para ensayos de física, que en general es bastante más costoso.
Vamos a intentar utilizar los equipos de electrónica para ensayos de física, lo cual, de paso, contribuye a una interrelación entre las materias.
En esta nota, les cuento un método sencillo para medir la aceleración de la gravedad con un osciloscopio digital y un par de elementos accesorios.

Para bajar la nota completa en formato pdf:

Nota

Java-Applets

Les dejo una dirección para bajar applets Java de física, matemáticas y astronomía.
Son excelentes para explicar una cantidad de temas en clase.
Están en varios idiomas, incluído castellano.


http://www.walter-fendt.de/

Oscilador con 4047

El circuito es un oscilador sencillo utilizando un multivibrador monoestable / astable 4047.
Podemos obtener pulsos simples, o bien utilizar el circuito como oscilador. En este caso tenemos tres salidas de pulsos disponibles, Q, su inversa, y una salida de frecuencia doble que la de Q, todas con 50% de ciclo de trabajo.
En modo monostable se puede usar para ensayos que requieran de pulsos únicos de ancho ajustable, como ser la prueba pulso a pulso de circuitos lógicos secuenciales.
Si se complementa con un driver para MOSFET, podemos hacer diversos ensayos sobre los mismos, como ser la medición de la Rd-s(on), la medición de los tiempos de conmutación, etc.
El circuito de puede alimentar con tensiones en el rango de los circuitos lógicos CMOS, 3 a 15Vcc. Sin embargo, la red asociada al pulsador fue optimizada para operar a 12Vcc.
El circuito esquemático es el siguiente:




















El puente J1 permite elegir entre modo monoestable o astable. Sin el puente el circuito funciona en modo monoestable, dando un pulso positivo en la salida Q cada vez que se pulsa P1.
Con el puente J1 funciona en modo astable.
El ancho de pulsos resulta de la combinación de la resistencia R entre los pines 2 y 3, y la capacidad C entre los pines 1 y 3.
En modo monoestable el ancho de pulso Q resulta de la ecuación tM=2,48*R*C en modo astable el período de oscilación en las salidas Q y Q inversa es TA=4,4*R*C.
Se puede utilizar una llave para elegir varios capacitores de manera de tener diferentes rangos de anchos de pulso.
La resistencia variable puede ser un preset sobre la misma placa, o bien un potenciómetro.
Lo que sigue es un oscilograma de las ondas del circuito operando en modo astable.
Las ondas se obtuvieron es esta caso para una tensión de alimentación de 10Vcc.



El Canal 1 es la salida Q (pin 10); el Canal 2 es la salida Q inversa (pin 11); las Ref A es la salida del oscilador (pin 13) ; y la Ref B es la señal en el pin RC común (pin 3).










La obtención de este oscilograma permite hacer una práctica de como obtener 4 trazos con un osciloscopio digital de 2 trazos, utilizando las referencias.
El procedimiento es el siguiente:
1-Conecte una tercer sonda en la entrada de trigger externo, conecte esta sonda en la salida Q del multivibrador 4047 (pin 10).
2- Conecte la sonda del canal 1 en el mismo punto.
3-Configure el trigger para fuente Ext ó Ext/5, elija pendiente positiva y ajuste nivel de trigger, CH1 y base de tiempo hasta obtener un oscilograma estable, de una división vertical aproximadamente en CH1. Ubique CH1 en la posición vertical que se ve en la figura.
4-Conecte la sonda del CH2 en la salida del oscilador (pin 13) y elija la posición vertical donde aparece Ref A. Mediante el menu de almacenar, guarde CH2 en Ref A.
5- Conecte la sonda del CH2 en el pin 3 (RC común) y ajuste la posición vertical a la que en el oscilograma mostrado aparece la Ref B. Mediante el menú almacenar, guarde CH2 en Ref B.
6- Mediante el menú Ref, active las referencias A y B.
7- Finalmente, conecte la sonda del CH2 a la salida Q invertida (pin 11), ubíquela verticalmente como en la figura, a fin de obtener el oscilograma completo.
La sonda de trigger externo NUNCA se cambia de lugar en todo el proceso, como así tampoco la configuración de trigger.

Un prototipo armado en placa multipropósito se muestra a continuación, formando parte de una placa mas compleja. La llave DIP permite elegir diversos capacitores de rango, y el preset sirve para hacer el ajuste continuo del ancho de pulso.
El pulsador es la TACT switch que aparece abajo a la derecha.
El puente que permite elegir modo monoestable o astable es el que está justo encima del pin 14 del 4047.
La placa mostrada incluye una fuente estabilizada mediante un 7812 y una resistencia y LED para indicar que está alimentada.

Malditos Transistores

Siempre hemos tenido que convivir con componentes electrónicos defectuosos (de fabrica). Pero en general, con marcas reconocidas, se podía esperar que funcionaran parecido a lo que la hoja de especificaciones dice.
Ultimamente tengo algunas dudas aún de los componentes correctamente marcados como de fábricas reconocidas.
Tuvimos un problema con una partida de MOSFET de IR. Hubo que ensayarlos uno a uno. La dispersión de su resistencia drenador-surtidor, y en los tiempos de conmutación era notable, al punto que hacía imposible montarlos en paralelo sin clasificarlos previamente. Esto es inusual en transistores de la misma partida.

Recientemente hice un prototipo de fuente elevadora (step up), que tenía que entregar 500V y 800W.
Para reducir la disipación y el tamaño del inductor lo mas razonable era usar MOSFET de potencia en frecuencia media (40KHz) (los IGBT tienen una caída en conducción de alrededor de 1,7V, con un paralelo de MOSFET se puede llegar a caídas de menos de 0,5V) y operan mejor a frecuencias media y altas.
En la puesta en marcha, encuentro que era imposible obtener los 500V en vacío, y que la corriente de entrada era inusualmente alta, y los transistores recalentaban.
Después de chequear que el armado era correcto, y el diodo de salida, probé de incluir un preset en el lazo de realimentación del circuito de control, para poder bajar la tensión de salida. Entonces, al reducir la tensión de salida por debajo de los 450V el circuito empezó a operar correctamente.
En un circuito elevador, la tensión máxima de drenador, es la tensión de salida del circuito (mas la caída de tensión en un diodo), 500V en este caso.


















Los transistores elegidos, 2SK2545 son (supuestamente) de 600V.
Hubo que desoldarles el drenador a cada uno de los 5 que estaban montados en paralelo y ensayarlos para corroborar el dianóstico.























El procedimiento fué:
Conectar una pequeña fuente de continua (también step up) capaz de alcanzar los 600V, entre surtidor y drenador.
























Medir con multímetro la tensión a la cual el transistor "enclava" la tensión, tomando corriente de la fuente (en la práctica se comporta en forma similar a un zéner). Esa es la tensión máxima de drenador-surtidor (Vdss).
Adicionalmente, con una punta X100, trazamos las curvas en el osciloscopio.
El resultado confirmó que los transistores de porquería en ningún caso eran de mas de 476V, y alguno midió valores tan bajos como 446V, como se muestra en las curvas.
Hubo que descartarlos, con el problema adicional de que no hay demasiadas opciones de MOSFET en esas tensiones y corrientes.
Finalmente usé un IGBT, lo que supuso bajar la frecuencia de operación, aumentar por consiguiente el tamaño del inductor, y aumentar (bastante) el tamaño del disipador.
En resumen, no confíen absolutamente en los componentes que consiguen, y entrénense en técnicas de ensayo y diagnóstico en la medida de lo posible.

Fuente auxiliar negativa.

En ocasiones se necesita generar tensiones negativas de baja corriente, para alimentar la tensión V- de amplificadores operacionales por ejemplo.
Estas tensiones se pueden generar fácilmente con un par de diodos y de capacitores, y una resistencia, alimentándolas desde pulsos obtenidos por ejemplo de un microcontrolador.
El circuito es el siguiente.

















Como funciona?
Si hacemos un dibujo simplificado, durante el nivel alto del pulso de entrada (la tensión es aprox. 5V en un sistema con microcontrolador) la resistencia R1 queda a tensión de aprox. 5V, D2 queda polarizado en inversa por lo tanto no conduce, el circuito simplificado es el siguiente


















El capacitor C2 se carga a través de R1 y D1 a una tensión de 5V menos la caída en D1, que para un diodo de silicio es aprox. 0,7V. O sea se carga aprox. a 4,3Vcc siendo positiva su placa marcada +.
Cuando el pulso de entrada va a cero, la placa marcada + de C2 queda a masa, a través de R1. En el lado - de C2 aparece entonces una tensión negativa respecto a masa (la tensión a la que se había cargado C2 en el techo del pulso), el D1 queda polarizado en inversa y el circuito simplificado es el siguiente.















Entonces el D2 conduce y parte de la energía almacenada en C2 de transfiere a C1, generando una tensión negativa, que idealmente (al cabo de varios ciclos que permitan completar la carga de C1) es de un valor igual al techo del pulso de entrada, menos la caída en los dos diodos del circuito, es decir menos aprox. 1,4V. para un pulso de 5V resulta una tensión de -3,6Vcc.

Un circuito de amplificador inversor, alimentado mediante una fuente con un circuito como el que analizamos es el siguiente.


















Por una necesidad de diseño de un circuito real, los pulsos para generar V- son de 50Hz ¿se animan a deducirlo del circuito de la figura anterior? (el dibujo corresponde a una simulación en el Linear SwitcherCAD IV).
El operacional usado en la realidad es un OP77.
Lo que se evalúa habitualmente es si efectivamente la tensión negativa es suficiente para la aplicación, sencillamente con un multímetro, midiendo en el circuito real.
Un poco mas complejo es verificar si la corriente que tomamos de la salida del micro no es excesiva.
Para comprobarlo conectamos las puntas de un osciloscopio, CH1 en la entrada de pulso (unión de V1 y R4) y CH2 en la unión de R4 y C2. Elegimos 1V por división en ambos canales, configuramos para obtener una onda en pantalla, estable.
Luego elegimos modo matemático CH1-CH2 o bien en un osciloscopio analógico add con Ch2 invertido o CH1 sub CH2, según el osciloscopio.
En pantalla obtenemos entonces la caída de tensión sobre R4.
Medimos los picos de esa tensión, y dividiendo por 100 ohms obtenemos la corriente pico que el micro suministra.

El siguiente es el oscilograma obtenido para el circuito.

















Calculando el pico de corriente como Ip+=720mV/100 ohms= 7,20mA ; Ip-=1240mV/100 ohms= 12,40mA
El microcontrolador usado es un 68HC908JK1 que admite +/-25mA de salida máximo.
El circuito de la fuente auxiliar se puede ensayar a mano, conectando el C2 (de las primeras figuras) a +5Vcc, midiendo las tensiones. Luego a masa, volvemos a medir y repetimos varios ciclos manualmente hasta que se estabilice la tensión en C1.
También se puede hacer el circuito y evaluarlo en el simulador. Verifiquen los parámetros para diferentes corriente de carga (conecten una resistencia en paralelo con C1) y para diferentes frecuencias de pulsos.
El circuito presentado es sólo UNA aplicación, los valores de los componentes deberán adecuarse a la necesidad. Por ejemplo para frecuencias mas altas de pulsos, el tamaño de los capacitores C1 y C2 puede reducirse mucho. (Verifíquenlo, para mantener una determinada corriente de fuente V-, con un cierto ripple, varíen la frecuencia en el simulador Y en un circuito real, y vean que valor de capacitores permite obtener el mismo ripple, a que frecuencias).