laboratorio de física IIIR

ESISTENCIA VARIABLE

“AÑO DE LA INVERSIÓN PARA EL DESARROLLO RURAL Y LA

SEGURIDAD ALIMENTARIA”

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)

FACULTAD DE QUÍMICA, INGENIERÍA QUÍMICA E INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL

E.A.P. INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE FÍSICA III

RESISTENCIA VARIABLE

Experiencia N°5

Profesor: GILBERTO YACTAYO YACTAYO

Integrantes:

AVILA ROMAN, JUAN CARLOS 11070101

HUAMAN CALDERON, ZULEMA KELLY 10070122

MEJÍA MAITA, FRANK KAROL 11070043

PALACIOS VILA, YESSENIA MABEL 11070126

PONCE ROJAS, CLESVY CAROLINA 11070052

2013

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ESISTENCIA VARIABLE

RESISTENCIA VARIABLE

EXPERIENCIA N°5

OBJETIVOS

Mostrar como es el comportamiento de las resistencias variables en circuito o placa impresora.

Caracterizar sensores resistivos. Comparar resultados de ganancia y no linealidad.

MATERIALES

La tarjeta Insertable UniTran – I de Resistencias variables, SO4203 – 7B, sirve para analizar esta clase de resistencias, siendo posible estudiar los siguientes tipos:

Fotorresistencia (LDR)

Termo resistencia con coeficiente negativo de temperatura (NTC)

Varistores (VDR)

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FUNDAMENTO TEÓRICO:

FOTORRESISTENCIA (LDR):

La fotorresistencia o LDR (Light-Dependent-Resistor) es un componente fotosensible a la luz. A diferencia de la resistencia fija donde el valor óhmico no varía, la fotorresistencia tiene la particularidad de variar su valor óhmico en función de la luz que incide sobre ella, cuanto más luz recibe más bajo es su valor óhmico y cuanto menos luz recibe más alto es su valor óhmico. Símbolo de la fotorresistencia y aspecto físico.

Ejemplo:

En la figura de arriba se puede observar un par de circuitos de ejemplo. La diferencia que hay de un circuito al otro es la disposición de la LDR y la resistencia fija y como consecuencia obtendremos una tensión de salida Vout diferente en ambos circuitos.

Básicamente este circuito se conoce como un divisor de tensión resistivo, en este caso formado por una resistencia fija en serie con la LDR.

Fijaros en los dos circuitos que tenemos una tensión de entrada Vin, esta tensión se reparte por las dos resistencias ya que están en serie (ley de mallas de Kirchhoff),la tensión de la LDR y la fija dependerá de la resistencia eléctrica de ambas.

El funcionamiento del circuito de la izquierda es como sigue: cuando incide luz sobre la LDR esta baja su resistencia eléctrica aumentando la tensión sobre la

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resistencia fija, como consecuencia obtendremos un tensión de salida Vout baja (Nivel lógico 0), por contra si mantenemos la LDR en la oscuridad aumenta su resistencia eléctrica disminuyendo la tensión en bornes de la resistencia fija y obteniendo una tensión de salida alta (Nivel lógico 1).

El circuito de la derecha tiene un comportamiento inverso al de la izquierda por la disposición de las resistencias. Su funcionamiento es como sigue: si aplicamos luz sobre la LDR baja su resistencia y en consecuencia obtenemos una tensión Vout alta (Nivel lógico 1), en la oscuridad aumenta su resistencia y tenemos en su salida Vout un nivel bajo (Nivel lógico 0).

Características:

Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide la célula. Cuanta más luz incide, más baja es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).

La variación del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que la señal luminosa varía con rapidez. El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rápidas de iluminación que podrían hacer inestable un sensor (ej. tubo fluorescente alimentado por corriente alterna). En otras aplicaciones (saber si es de día o es de noche) la lentitud de la detección no es importante.

Se fabrican en diversos tipos y pueden encontrarse en muchos artículos de consumo, como por ejemplo en cámaras, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.

También se fabrican fotoconductores de Ge:Cu que funcionan dentro de la gama más baja "radiación infrarroja".

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DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

TERMO RESISTENCIA CON COEFICIENTE POSITIVO (PTC):

Los sensores de coeficiente de temperatura positiva

(PTC), varían su resistencia de acuerdo aumenta la

temperatura. Está constituido por conductores

metálicos (platino, níquel e iridio dopado con

silicona). El mayormente utilizado es el sensor

resistivo de platino.

Los termistores PTC se utilizan en una gran

variedad de aplicaciones: limitación de corriente,

sensor de temperatura, desmagnetización y para la

protección contra el recalentamiento de equipos

tales como motores eléctricos. También se utilizan

en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos,

y como resistores de compensación.

El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente

de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado

alta.

Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un

determinado margen de temperaturas.

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Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm,

pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC

provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La

característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de

transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente.

VARISTORES:

Son componentes cuya resistencia aumenta cuando

disminuye el voltaje aplicado en sus extremos.

Un varistor también se conoce como Resistor

Dependiente de Voltaje o VDR. La función del varistor es

conducir una corriente significativa cuando el voltaje es

excesivo.

Funcionamiento:

El tipo más común de varistor es el varistor de óxido de metal (MOV).

Este contiene una masa cerámica de granos de óxido de zinc,

en una matriz de otros óxidos de metal (como pequeñas

cantidades de bismuto, cobalto y manganeso) unidos entre sí

por dos placas metálicas (los electrodos). La región de frontera

entre cada grano y su alrededor forma una unión de diodo, la

cual permite el flujo de corriente en una sola dirección. La masa de granos

aleatoriamente orientados es eléctricamente equivalente a una red hecha por

un par de diodos con sentido contrario al otro, cada par en paralelo junto con

muchos otros pares. Cuando un voltaje pequeño o moderado se aplica a través

de los electrodos, sólo una corriente muy pequeña fluye, causada por las

corrientes de fuga en las uniones del diodo. Cuando un gran voltaje se aplica,

la unión de diodo se rompe debido a una combinación de emisión

termoiónica y efecto túnel, produciendo que una gran cantidad de corriente

fluya. El resultado de este comportamiento es una curva característica

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altamente no linear, donde el MOV tiene una gran resistencia en bajas

tensiones y una baja resistencia en altas tensiones.

Cuando la tensión en el varistor está por debajo

de su "voltaje de disparo", éste funciona como

un dispositivo regulador de corriente a

operación normal, por lo que los varistores

generalmente se usan como supresor de picos

de tensión. Sin embargo, un varistor no podría

limitar de forma exitosa la corriente de un

evento como un apagón donde la energía es

mucho más grande de la que él puede

controlar. La corriente que fluye en el varistor

como resultado de un apagón podría generar

una corriente tan grande que destruiría

completamente el varistor. Inclusive, picos de

tensión más pequeños podrían degradarlo. La

degradación está definida por las gráficas de esperanza de vida del fabricante

que relacionan corriente, tiempo y número de pulsos. El parámetro más

importante que afecta la esperanza de vida del varistor es su energía

consumida. A medida que el consumo de energía incrementa, su esperanza de

vida incrementa exponencialmente, el número de picos que pueden soportar

incrementa y el voltaje de disparo que provee durante cada pico decrece. La

probabilidad de una falla catastrófica puede reducirse al ampliar el rango o al

conectar más varistores en paralelo. Se dice que un varistor está

completamente degradado cuando su voltaje de disparo ha cambiado cerca del

10%. En esta condición el varistor no se ve dañado y todavía se mantiene

funcional (no tiene falla catastrófica).

Típicamente, su tiempo de respuesta está en el orden de los 5 a 25

nanosegundos y su voltaje de activación está comprendido entre 14V y 550V.

Sin embargo, su confiabilidad es limitada ya que se degradan con el uso. Su

costo es bajo comparado con otros dispositivos protectores, como los diodos

supresores de avalancha de silicio, y poseen buena disipación de la energía

eléctrica indeseable.

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El varistor se coloca en paralelo al circuito a proteger y absorbe todos los picos

mayores a su tensión nominal. El varistor sólo suprime picos transitorios; si es

sometido a una tensión elevada constante, se destruye. Esto sucede, por

ejemplo, cuando se aplica 220 VAC a un varistor de 110VAC, o al colocar el

selector de tensión de una fuente de alimentación de un PC en posición

incorrecta. En el diseño de circuitos es aconsejable colocar el varistor en un

punto ubicado después de un fusible.

TERMO RESISTENCIA CON COEFICIENTE NEGATIVO

Las termo resistencias NTC (NTC = NegativeTemperatureCoefficient) son

semiconductores fabricados con cerámica poli cristalina de óxidos mixtos, que

se emplean en mayor grado para la medición de la temperatura. En los

materiales semiconductores, la cantidad de portadores libres de carga se eleva

con el aumento de la temperatura, de manera que la resistencia eléctrica

disminuye ante dicho aumento de temperatura. Por esta razón se los denomina

también termistores. Con temperatura ambiente, presentan un coeficiente

negativo de temperatura en el orden de magnitud de -3 a -5 % por grado. El

rango típico de temperatura va de -60ºC a +200 ºC. La dependencia en función

de la temperatura obedece a la siguiente ecuación:

R (T )=R(T 0)∙ eB( 1T − 1

T0 )

T : temperatura enKT 0: temperatura dereferenciaB=constantedependiente delmaterial

La temperatura de referencia y la constante dependiente B del componente se

pueden tomar de la correspondiente hoja de datos. Las temperaturas se deben

expresar en Kelvin. La transformación de la temperatura a grados Kelvin se

realiza por medio la ecuación T=(ϑ+273 °C ).

Las resistencias NTC poseen una sensibilidad esencialmente mayor que los

termómetros de resistencia metálica. Entre los campos de aplicación se

encuentra todo tipo de medición y control automático de temperatura. La

desventaja de muchas aplicaciones, no obstante, radica en que la curva de la

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resistencia no es lineal sino exponencial. Por tanto, se debe llevar a cabo una

linealización de dicha curva.

La tabla siguiente muestra, a manera de ejemplo, los valores básicos de una

resistencia NTC, con una temperatura de referencia de T0 = 25°C y un valor de

resistencia correspondiente de R25=5k Ω

Tabla 1: Valores básicos de una resistencia NTC. (R25=5k Ω)

Temperatura de medición en °C

0 20 25 40 60 80 100 120

Valores básicos en ohmios

16325 6245 5000 2663 1244 627,5 339 194,7

La imagen siguiente muestra la característica correspondiente (curva roja) junto

con la característica de una resistencia que tiene un valor de referencia de 10

kW (curva azul).

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PROCEDIMIENTO

Características estáticas de resistenciaEn el experimento siguiente se debe analizar la respuesta de las resistencias NTC. Para ello se registrará la característica de una resistencia de este tipo y se discutirán los posibles rangos de aplicación de este tipo de resistencias.

Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la sección II de la tarjeta de experimentación SO4203-7B.

Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente

Ajuste de la fuente de tensión continua

Rango : 10 V

Tensión de salida 1 V

10

Ajuste del voltímetro B

Rango de medicion : 20 mA DC

Modo de operación AV

Shunt 10 ohmios

Ajuste del voltímetro A

Rango de medicion: 5 V DC

Modo de operacion AV

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En el caso de que se realice la medición de corriente empleado al amperímetro virtual, abra el instrumento y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ahora, ajuste la tensión de alimentación Ue, empleando uno tras otro, los valores expuestos en la tabla 1. Mida cada tensión U en la resistencia NTC, al igual que la corriente I que fluye por la resistencia y anote los valores de medición en la tabla. Antes de ajustar un nuevo valor de tensión, espere siempre aproximadamente un minuto antes de llevar a cabo la medición de corriente, si pulsa la pestaña “Diagrama” de la tabla, después de realizar todas las mediciones, podrá visualizar gráficamente   la característica resultante.

El grado de calentamiento de la resistencia durante el servicio depende de la potencia consumida, si se registra esta potencia en funcióndel valor de la resistencia, se obtiene la característica de temperatura de la resistencia, calcule la potencia P=U.I y la resistencia R= U/I para cada medición documentada en la tabla 1, y anote en la tabla 2 los valores obtenidos.

A continuación, visualice las correspondientes curvas características.

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CUESTIONARIO

1.- ¿Por qué es necesario esperar aproximadamente unos minutos antes

de medir la corriente después de realizar una modificación de la tensión?

a) en primer lugar la tensión de alimentación debe estabilizarse.

b) la resistencia NTC se calienta ante el flujo de la corriente. De esta manera disminuye la resistencia y la medición solo se puede realizar después de que la temperatura haya alcanzado su valor estacionario.

c) la resistencia NTC se enfría ante el flujo de la corriente. De esta manera disminuye la resistencia y la medición solo se puede realizar después de que la temperatura haya alcanzado su valor estacionario.

d) no existe ningún motivo en especial para esperar antes de medir la corriente.

Respuesta: b

2.- ¿Qué afirmaciones podría realizar en relación con la característica obtenida?

a) la pendiente de la característica es constante.

b) la pendiente de la característica varía.

Respuesta: b

Del primer grafico V vs I se observa que la pendiente varia (cambia su valor) en un punto.

c) la tensión en la resistencia NTC adopta un valor máximo.

d) la tensión en la resistencia NTC aumenta continuamente.

Respuesta: c

Al ir aumentando la tensión observamos que en el punto más alto adopta este valor máximo, pero de ahí empieza a decaer para establecer el equilibrio.

e) si la tensión asciende, disminuye la pendiente de la característica.

f) si la tensión asciende, aumenta la pendiente de la característica.

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Respuesta: e

Al aumentar la tensión, cumpliéndose la ley de ohm, está pendiente no variaría pero como trabajamos con resistencias variables, obviamente habrá disminución en la pendiente (resistencia NTC) ya que la curva no es lineal, sino exponencial

3.- ¿a qué conclusión puede arribar a partir de las dos características obtenidas?

a) Si la temperatura aumenta, disminuye el valor de la resistencia NTC.

Esto debido a que para los termistores NTC, al aumentar la temperatura

aumenta también la cantidad de portadores (electrones), influyendo esto es la

disminución de la resistencia, de ahí que el coeficiente será negativo.

b) Si el consumo de potencia aumenta, se incrementa el valor de la

resistencia NTC.

c) Si el consumo de potencia aumenta, disminuye el valor de la resistencia

NTC.

Respuesta: c

En la siguiente figura se muestra la relación tensión – corriente de un termistor

NTC, en la que aparecen los efectos del auto calentamiento.

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A partir del punto A, los efectos del auto calentamiento se hacen más evidentes. Un aumento de la corriente implicará una mayor potencia disipada en el termistor, aumentando la temperatura de éste y disminuyendo su resistencia, dejando de aumentar la tensión que cae en el termistor. A partir del punto B, la pendiente pasa a ser negativa.

d) Si el consumo de potencia aumenta, disminuye la temperatura de la

resistencia NTC.

e) Si el consumo de potencia aumenta, aumenta la temperatura de la

resistencia NTC.

Respuesta: e

Al ir aumentando la tensión (voltaje) aplicada al termistor NTC, se llegará a un

valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de

temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del

termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad

hasta que se establezca el equilibrio térmico.

f) Si las resistencias NTC se emplean como sensores de temperatura,

deberían operar con bajas intensidades de corriente para evitar los efectos del

calentamiento.

g) Si las resistencias NTC se emplean como sensores de temperatura,

deberían operar con elevadas intensidades de corriente para obtener

resultados estables.

Respuesta: f

Los termistores no sirven para la medición de temperatura dentro de alcances

amplios puesto que sus variaciones de resistencia son demasiado grandes

para que puedan medirse de una manera adecuada con un solo instrumento;

alcances de alrededor de 100K suelen ser lo máximo admisible.

Los termistores resultan particularmente útiles para medir alcances reducidos

de temperatura justamente a causa de sus grandes variaciones de resistencia;

por ejemplo, la resistencia de un termistor típico varía entre 156 ohms de 0 a 1

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grados centígrados, mientras que la del platino varia tan solo a 385 ohm.

CONCLUSIONES

La potencia eléctrica puede ser expresada como una función

dependiente en forma directa de la diferencia de potencial aplicada a un

elemento, así como de la resistividad de dicho elemento.

La corriente es inversamente proporcional a la resistencia, por lo tanto

cuando aumenta la resistencia, la corriente baja y viceversa.

La corriente es directamente proporcional al voltaje, por lo tanto cuando

aumenta el voltaje, aumenta también la corriente.

Las resistencias NTC son llamadas también termistores porque al ser

semiconductores la cantidad de portadores libres de carga llega a

elevarse la temperatura altamente.

La temperatura debe permanecer constante muy importante para el

desarrollo del experimento porque el equipo sufre un calentamiento,

causado por el flujo de corriente es por ello que se debe esperar un

minuto para que la temperatura vuelva a su valor estacionario y ya así

medir la corriente indicada.

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BIBLIOGRAFÍA

  * Física III. H. Leyva. Páginas web:

http://www.ucm.es/info/electron/laboratorio/componentes/codigos/ resisva.htm

www.kalipedia.com/.../tema/.../tipos- resistencias - variables .html https://sites.google.com/site/primerosistems/materias/electronica/

resistencias-variables

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