USO DEL GENERADOR DE ONDAS Y DEL OSCILOSCOPI OSCILOSCOPIO O
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ÍNDICE
I. – I. – OBJETIVOS………………………..…...………………………….……… OBJETIVOS………………………..…...………………………….………..……..2 II. – II. – FUNDAMENTO TEÓRICO………………………………………….…….. TEÓRICO………………………………………….……..…....2 III. – III. – EQUIPOS EQUIPOS E INSTRUMENTOS USADOS……………………….…… USADOS ……………………….…….. ...… .…....5 ....5 IV. – IV. – PROCEDIMIENTO………..………………………………………….…….…...6 V. – V. – CÁLCULOS Y RESULTADOS……………………………………….…….…...8 VI. – VI. – CUESTIONARIO………….………………………………………….…….… CUESTIONARIO………….………………………………………….…….….12 .12 VII. – VII. – CONCLUSIONES CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES……………….………...……… OBSERVACIONES……………….………...………..20 ..20
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………….20 20
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USO DEL GENERADOR DE ONDAS Y DEL OSCILOSCOPI OSCILOSCOPIO O
I. – OBJETIVOS
Aprender a utilizar utilizar el osciloscopio digital. Comparar los valores valores medios y eficaces visualizados visualizados por el multímetro y osciloscopio con los calculados teóricamente.
II. – FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1) EL OSCIL OSCOPIO DIGITAL DIGITAL
Los osciloscopios digitales al igual que los osciloscopios análogos, son instrumentos que permiten visualizar y medir una señal eléctrica, con la diferencia que utilizan la digitalización digitalización de la señal de de entrada. La digitalización consiste en asignar un código binario a muestras que se toman de la señal de entrada análoga. Estos códigos se ordenan y almacenan almacenan secuencialmente secuencialmente de modo que pueda pueda reproducir la señal señal de entrada en cualquier momento. Para realizar la digitalización se necesita un circuito que obtenga las muestras y un conversor análogo - digital (ADC); para su almacenamiento es necesario una memoria. Después que los datos están almacenados, se pueden hacer diferentes tipos de cálculos realizados por el mismo osciloscopio o asistido por computador. El control de disparo, la deflexión horizontal, la sincronización, etc., se realiza con bloques especializados.
Esquema analítico de un osciloscopio.
Los que emite el cátodo son acelerados por un alto voltaje que se aplica en el ánodo. Los salen disparados a través de un pequeño agujero en el ánodo. El interior de la pared del tubo brilla cuando chocan contra él los . Así, resulta visible un diminuto punto brillante en donde el haz de incide sobre la pantalla llamado spot luminoso. Las placas horizontales y las verticales desvían el haz de cuando se les aplica un voltaje. Los son desviados hacia
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cualquiera de las placas que sea (+). Mediante la variación del voltaje en las placas desviadoras, el punto brillante puede situarse en cualquier punto sobre la pantalla.
2.2) ONDA S SENOIDA LES
Poseen propiedades matemáticas interesantes. La señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma.
Valor medio: El valor medio de una onda se calcula sobre un intervalo de la función correspondiente a un periodo propio fundamental completo. Valor eficaz: El valor eficaz (raíz cuadrática media o RMS) de una onda periódica .
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2.3) ONDAS CUADRA DAS Y RECTANGULA RES
Son utilizadas usualmente para probar amplificadores La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores. 2.4) ONDA S TRIANGUL ARES Y EN DIENTE DE SIERRA
Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico o el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. 2.5) LA CURVA DE LISSAJOUS
Las figuras de Lissajous son el resultado de la composición de 2 M.A.S según 2 direcciones perpendiculares. Si denominamos a estas direcciones X e Y podemos describir sus trayectorias individuales. Supondremos que ambas señales tiene la misma amplitud A.
La trayectoria como podemos comprobar es una elipse. La medida de la intersección de la elipse con los ejes X e Y nos permite medir el desfase , entre 2 señales x e y.
Las figuras de Lissajous son usadas como logotipos. Ejemplos de estos logotipos son el de Australian Broadcasting Corporation y el del Lincoln Laboratory at MIT .
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III. – EQUIPOS E INSTRUMENTOS USADOS
1 Osciloscopio digital Tektronix TDS1002. 1 Multímetros Fluke 87 V. 1 Generador de ondas Wavetek Meterman FG3C. 1 Panel con diodos y puente de diodos. 1 Panel resistivo. 1 Panel de condensadores. Cables de conexión. 2 sondas.
Oscilosco io di ital Tektronix TDS1002. Multímetro Fluke 87. Panel resistivo.
Generador de Función Wavetek Meterman FG3C. Panel con diodos
uente de diodos.
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Panel de resistencias. Panel de condensadores.
Cables y conectores.
IV. – PROCEDIMIENTO
1.- Armar los circuitos mostrados en la figura, previa medición de las resistencias y/o capacitancias.
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2.- Seleccionar una frecuencia de 60 Hz y una amplitud de 5 voltios en el generador de ondas (G) a-b. 3.-Seleccionar el selector de ondas sinusoidales del generador de ondas (G). 4.-Conectar los bornes a-b al canal I del osciloscopio y los bornes c-d al canal II del osciloscopio, y anotar las principales características de la onda mostrada por el mismo (VMAX, periodo, etc). 5.- Repetir los pasos anteriores para una frecuencia de 200 Hz y 1000 Hz. 6.- Seleccionar el selector de ondas cuadradas y repetir los pasos 1,2, 4. 7.- Seleccionar el selector de ondas triangulares y repetir los pasos 1,2, 4.
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8.-Para el caso del circuito 3, además observar el desfasaje entre el voltaje del generador de funciones con señal sinusoidal y la tensión sinusoidal en el condensador de dicho circuito. V. – CÁLCULOS Y RESULTADOS 5 .1 ) D a t o s T o m a d o s e n L a b o r a t o r i o
CIRCUITO N° 1 (
Tipo de Onda Generada
Sinusoidal
Cuadrada
Triangular
)
Valores del Generador
Sinusoidal
Cuadrada
Fig. N°
1.12
1.12
0.267
16.64
500 mV
1
1.10
1.10
0.277
4.990
500 mV
2
1.18
1.18
0.289
0.996
500 mV
3
5.8
8.88
2.77
16.73
2V
4
5.8
11.6
2.76
5.013
2V
5
6.5
12.5
2.73
0.997
2V
6
5.52
5.52
1.35
16.75
2V
7
5.52
5.52
1.33
5.02
2V
8
5.44
5.44
1.34
0.997
2V
9
CIRCUITO N° 2 (
Tipo de Onda Generada
Valor <> de 1 en y
)
Valor Fig <> de . N° 1 en y
Valores del Generador
11.2
11.2
6.14
8.261
5V
10
10.8
10.8
5.89
2.510
5V
11
10.6
10.6
5.88
0.499
5V
12
1
1
1
---
5V
13
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( ) Triangular
8
8
8 9.82 (RMS)
10
10
10
---
5V
15
10.4
10.4
4.60
8.290
5V
16
10.6
10.6
5.63 (RMS)
2.568
5V
17
10.2
10.2
4.55
0.499
5V
18
Valor <> de 1 en y
Fig. N°
---
5V
14
CIRCUITO N° 3 ( Amarillo: Condensador
Tipo de Onda Generada
)
Salidas del Generador
67.2
---
17.8
20 V
60.8
---
17.8
20 V
Sinusoidal
5.2) Cálculo del desfasaje:
De la Fig. N° 19 se tiene que aproximadamente: a=3 V y b=10 V
De la Fig. N° 20 se tiene aproximadamente que:
19 y 20
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Figura N° 1.
Figura N° 2.
Figura N° 4.
Figura N° 3.
Figura N° 5.
Figura N° 7.
Figura N° 4.
Figura N° 6.
Figura N° 8.
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Figura N° 9.
Figura N° 10.
Figura N° 11.
Figura N° 12.
Figura N° 13.
Figura N° 15.
Figura N° 14.
Figura N° 16.
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Figura N° 17.
Figura N° 19.
Figura N° 18.
Figura N° 20.
VI. – CUESTIONARIO
6.1) Explicar el principio de funcionamiento del osciloscopio y el generador de ondas. Asimismo enumerar sus diversos usos. a) Principio de funcionamiento del osciloscopio: Un osciloscopio es un dispositivo que muestra gráficamente una forma de onda repetida en un circuito, como la señal de un sonido. Los osciloscopios muestran el voltaje o amperaje de un circuito como una línea en una pantalla. Un técnico puede estudiar la forma de onda para medir cuánto tiempo pasa entre los pulsos de un circuito, detectar la frecuencia de una señal, o hacer otros análisis útiles. Contro l vertical
En todos los osciloscopios, la señal eléctrica viaja primero desde el sondeo de un circuito hasta el osciloscopio. Primero viaja a un circuito con amplificador y atenuados. Este circuito mide el voltaje o amperaje de la onda y lo aumenta (amplifica) o lo disminuye (atenúa) basándose lo que ingresa el operador a través de una perilla de control. Este voltaje luego controla el aspecto vertical. Mueve a un cañón de electrones hacia arriba y hacia abajo mientras cambia. Mientras más varíe el voltaje, más se mueve el cañón.
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Contro l ho rizontal
El técnico también controla el aspecto horizontal. El cañón de electrones se mueve repetidamente de un lado de la pantalla al otro. En muchos casos, esto sucede miles de veces por segundo. Mientras más rápido sea el cañón, menos tiempo se representa por cada pasada. Esto hace que la imagen sea más cercana y detallada, pero muestra una parte más pequeña de la onda. Pantalla
La pantalla de la mayoría de los osciloscopios es un tubo de rayos catódicos (CRT), el mismo tipo de pantalla que se usaba tradicionalmente en las televisiones. En un CRT, se dispara un rayo de electrones hacia un tubo a mucha velocidad. Los electroimanes del tubo se encienden para desviar a los electrones hacia la izquierda, derecha, arriba o abajo para que lleguen a un punto particular de la pantalla. Esa pantalla tiene un recubrimiento de fósforo parecido al recubrimiento que está dentro de las luces fluorescentes. Cuando un electrón llega al fósforo, el recubrimiento absorbe un poco de esa energía. Esa energía se vuelve a emitir como un fotón de luz. Como el rayo de electrones pasa por toda la pantalla, crea una imagen brillante de la forma de la onda.
b) Principio de funcionamiento del generador de ondas: Un generador de funciones es un instrumento versátil que genera diferentes formas de onda cuyas frecuencias son ajustables en un amplio rango. La salidas más frecuentes son ondas senoidales, triangulares, cuadradas y diente de sierra. Las frecuencias de estas ondas pueden ser ajustadas desde una fracción de hertz hasta varios cientos de kilohertz. Las diferentes salidas dl generador se pueden obtener al mismo tiempo. Por ejemplo, proporcionando una sola cuadrada para medir la linealidad de un sistema de audio, la salida en diente de sierra simultánea se puede usar para alimentar el amplificador de deflexión horizontal de un osciloscopio, con lo que
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se obtiene la a exhibición visual de los resultados de las mediciones. La capacidad de un generador de funciones de fijar la fase de una fuente externa de señas es otra de las características importantes y útiles. Un generador de funciones puede fijar la fase de un generador de funciones con una armónica de una onda senoidal del otro generador. Mediante el ajuste de fase y amplitud de las armónicas permite general casi cualquier onda obteniendo la suma de la frecuencia fundamental generada por un generador de funciones de los instrumentos y la armónica generada por el otro. El generador de funciones también se puede fijar en fase a una frecuencia estándar, con lo que todas las ondas de salida generadas tendrán la exactitud y estabilidad en frecuencia de la fuente estándar. El generador de funciones también puede proporcionar ondas a muy bajas frecuencias. Ya que la frecuencia baja de un oscilador RC es limitada, la figura ilustrada otra técnica. Este generador entrega ondas senoidales triangulares y cuadradas con un rango de frecuencias de 0.01 Hz hasta 100 kHz. La red de control de frecuencia está dirigida por el selector fino de frecuencia en el panel frontal del instrumento o por un voltaje de control aplicado externamente. El voltaje de control de frecuencia regula dos fuentes de corriente. La fuente de corriente superior aplica una corriente constante al integrador, cuyo voltaje de salida se incrementa en forma lineal con el tiempo. La conocida relación da el voltaje de salida.
∫
Un incremento o decremento de la corriente aplicada por la fuente de corriente superior aumenta o disminuye la pendiente del voltaje de salida. El multivibrador comparador de voltaje cambia de estado a un nivel predeterminado sobre la pendiente positiva del voltaje de salida del integrador. Este cambio de estado desactiva la fuente de corriente superior y activa la fuente inferior. Dicha fuente aplica una corriente distinta inversa al integrador, de modo que la salida disminuya linealmente con el tiempo. Cuando el voltaje de salida alcanza un nivel predeterminado en la pendiente negativa de la onda de la salida, el comparador de voltaje cambia de nuevo, desactiva la fuente de corriente inferior y activa al mismo tiempo la fuente superior. El voltaje a la salida del integrador tiene una forma de onda triangular cuya frecuencia está determinada por la magnitud de la corriente aplicada por las fuentes de corriente constante. El comparador entrega un voltaje de salida de onda cuadrada de la misma frecuencia. La tercera onda de salida se deriva de la onda triangular, la cual es sintetizada en oda senoidal por una red de diodos y resistencias. En ese circuito la pendiente de la onda triangular se altera a medida que su amplitud cambia resultado una onda senoidal con menos del 1% de distorsión. Los circuitos de salida del generador de funciones consisten de dos amplificadores que proporcionen dos salidas simultáneas seleccionadas individualmente de cualquiera de las formas de onda. 6.2) Explicar el principio de funcionamiento del diodo y del puente de diodos y su aplicación en electricidad.
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La forma de funcionamiento de un diodo común de silicio se puede apreciar observando la curva característica que se crea cuando se polariza, bien de forma directa, o bien de forma inversa. En ambos casos la curva gráfica (representada en color verde en el siguiente gráfico) muestra la relación existente entre la corriente y la tensión o voltaje que se aplicada a los terminales del diodo. En este gráfico correspondiente a la curva característica de un diodo de silicio, se puede observar un eje horizontal “x” y otro vertical “y”que se intersectan en el centro. En ese punto el valor del voltaje y de la intensidad de la corriente es igual a “0” volt. El eje vertical “y” muestra hacia arriba su parte positiva (+y) correspondiente al valor que puede alcanzar la intensidad de la corriente (Id) que atraviesa al diodo cuando se polariza directamente, mientras que hacia abajo su parte negativa (-y) muestra cuál será su comportamiento cuando se polariza de forma inversa (Ii). El eje horizontal “x” muestra hacia la derecha, en su parte positiva (+x), el incremento del valor de la tensión o voltaje que se aplicada al diodo en polarización directa (Vd). Hacia la izquierda del propio eje se encuentra la parte negativa ( – x), correspondiente al incremento también del valor de la tensión o voltaje, pero en polarización inversa (Vi). Si a un diodo común de silicio le aplicamos una tensión o voltaje (Vd) para polarizarlo directamente, partiendo de “0” volt (punto de intersección de los ejes de las coordenadas), se puede observar en el gráfico que hasta tanto no se alcanzan los 0,7 volt sobre el eje “+x”, el valor de la corriente (Id) no indica ninguna variación debido a la resistencia que, por debajo de ese voltaje, ofrece la “barrera de potencial” al flujo de los electrones en el punto de unión "p-n". Sin embargo, a partir de los 0,7 volt un pequeño incremento en el valor de la tensión, originará un enorme flujo de intensidad de corriente, t al como se puede apreciar en el gráfico, representado por la curva de color verde (paralela al eje “+y”), en la parte correspondiente a la “región de polarización directa” del diodo. (Como ya se mencionó anteriormente, a diferencia del diodo de silicio (Si), un diodo de germanio (Ge) sólo requiere 0,3 volt de polarización directa para que comience a conducir la corriente). Ahora bien, si el diodo se polariza de forma inversa aplicándole una tensión o voltaje inverso a partir de“0” volt y siguiendo el eje –x, vemos que aunque incrementemos el valor de esa tensión, la corriente (Ii) no muestra variación alguna, excepto en un punto donde se produce una pequeñísima “corriente de fuga” de unos pocos microamper. A partir de ese momento si continuamos incrementando el valor de la tensión se llega al punto de “ruptura inversa”,
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(codo de la curva de color verde), donde el aislamiento de la unión "p-n" se rompe originándose un flujo de corriente, de valor tan alto, que destruye el diodo y lo hace inservible. No obstante, existe un diodo de silicio, denominado “zener”, que, contrariamente a lo ya explicado, emplea para su funcionamiento la polarización inversa. Debido a su construcción especial tiene la propiedad de estabilizar la tensión o voltaje inverso cuando llega al punto de ruptura y alcanza la región de avalancha (denominada también “región zener”). De esa forma el alto valor del flujo de corriente que se origina a partir de ese punto lo aprovecha este diodo para reducir el valor de la tensión sin que llegue a destruirse como ocurriría con otro diodo común. Por tanto, mientras otros tipos de diodos de silicio o de germanio tienen que operar necesariamente por debajo de la tensión de ruptura inversa, el diodo zener puede soportar esa tensión de operación. Debido a esa característica este diodo se emplea, comúnmente, como regulador de tensión o voltaje en los circuitos electrónicos. Otro diodo que funciona en polarización inversa es el denominado “varicap” o “varistor”, que se emplea para sintonizar las emisiones de radio y de televisión en los radiorreceptores y los televisores domésticos en sustitución del antiguo capacitor variable mecánico. 6.3) Explicar el método empleado para hallar el desfasaje entre voltajes de la fuente y del condensador en un circuito R – C. ¿Qué otros métodos existen?
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6.4) Elaborar un cuadro de los valores eficaces y medios visualizados en el multímetro, osciloscopio y los cálculos teóricamente por fórmulas, indicando % error.
Para una onda sinusoidal rectificada como la de las figuras: 1,2 y 3
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√ √
El valor RMS y medio se hallan por:
Para una onda cuadrada rectificada como la de las figuras: 4, 5 y 6
El valor RMS y medio se hallan por:
Para una onda triangular rectificada como la de las figuras: 7,8 y 9
El valor RMS y medio se hallan por:
Tabla N° 1 - CIRCUITO N° 1 (
Tipo de Onda Generada
Sinusoidal
Cuadrada
Triangular
Valores del Generador
Exp.
Teó.
)
Exp.
% Error
Teó.
RMS
DC
Fig. N°
1.12
0.267
0.356
---
0.56
---
25
1
1.10
0.277
0.350
---
0.55
---
20.85
2
1.18
0.289
0.375
---
0.59
---
22.93
3
5.8
2.77
2.9
---
4.10
---
4.48
4
5.8
2.76
2.9
---
4.10
---
4.82
5
6.5
2.73
3.25
---
4.59
---
16
6
5.52
1.35
1.38
---
2.25
---
2.17
7
5.52
1.33
1.38
---
2.25
---
3.62
8
5.44
1.34
1.36
---
2.22
---
1.47
9
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Para las funciones obtenidas gráficamente del circuito 2, donde se ha eliminado la parte negativa de las mismas se tiene que:
| | √ √
El valor RMS y medio se hallan por:
El valor RMS y medio se hallan por:
El valor RMS y medio se hallan por:
Tabla N° 2 - CIRCUITO N° 2 (
Tipo de Onda Generada
Sinusoidal
Cuadrada
Triangular
Valores del Generador
Exp.
Teó.
)
Exp.
% Error
Teó.
RMS
DC
Fig. N°
11.2
6.14
7.13
---
7.91
---
13.88
10
10.8
5.89
6.87
---
7.63
---
14.26
11
10.6
5.88
6.74
---
7.49
---
12.75
12
1
1
1
---
1
---
8
8
8
9.82
8
8
10
10
10
---
10
---
10.4
4.60
5.2
---
6.00
---
11.53
16
10.6
---
5.3
5.63
6.11
7.85
---
17
10.2
4.55
5.1
---
5.88
---
10.78
18
13 18.53
14 15
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VII. – CONCLUSIONES Y OBSERVA CIONES 7 .1 ) C o n c l u s i o n e s
Se concluyó que los equipos están en mal estado, ya que las gráficas no salieron como se esperaba. También las gráficas salían distorsionadas y en especial la que estaba entre el condensador, no parecía una onda sinusoidal De la tabla N° 1 se deduce que para un mismo tipo de onda rectificada (parte negativa eliminada) se tiene que a mayor frecuencia en el generador su valor medio o DC aumenta, su valor pico – pico tiende a aumentar, su periodo disminuye, su valor RMS aumenta y el porcentaje de error también aumenta. De la tabla N° 2 se deduce que para un mismo tipo de onda, con sus respectivos valores negativos vueltos positivos, a mayor frecuencia su valor medio aumenta (cuadrada) y disminuye (sinoidal y triangular), el error disminuye (triangular y senoidal). Para las mismas condiciones de entrada en tensión y frecuencia, para ondas rectificadas, el orden de más a menos en que generan tensión de salida RMS es: Cuadrada, Triangular, Senoidal.
7.2) Obs ervacio nes
Se observó que los conectores no hacen buen contacto. Los aparatos para la medición no se encontraban bien calibrados y nos daban márgenes de error considerables.
BIBLIOGRAFÍA
Guía de laboratorio de circuitos eléctricos - Ing. Francisco Sinchi Yupanqui Fuentes de internet: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001601/cap02/Cap2tem 2.html http://www.fisicapractica.com/leyes-kirchhoff.php http://dsa-research.org/teresa/Electronica/T01-3.
