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INFORME ELECTROTECNIA
AC/DC, AMPLITUD PERIODO FRECUENCIA, OSCILOSCOPIO
Sebastián Vásquez Mulsow
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INDICE Contenido INDICE............................................................................................................................................ 1 CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA ............................................................ 2 CORRIENTE CONTINUA O DIRECTA ................................................................................ 2 Ejemplo Hidráulico: .............................................................................................................. 2 Conductores: ......................................................................................................................... 3 Ejemplo de circuito eléctrico: ............................................................................................... 4 CORRIENTE ALTERNA ......................................................................................................... 4 Tipos diferentes de corriente alterna ..................................................................................... 5 Ventajas de la corriente alterna sobre la corriente continua .................................................. 6 DIFERENCIAS CC & CA ........................................................................................................ 6 AMPLITUD, PERIODO Y FRECUENCIA ................................................................................. 9 AMPLITUD .............................................................................................................................. 9 PERIODO ................................................................................................................................. 9 FRECUENCIA (F): ................................................................................................................. 10 OSCILOSCOPIO ........................................................................................................................ 11 FUNCIONES .......................................................................................................................... 11 TIPOS DE ONDA QUE CLASIFICA UN OSCILOSCOPIO ................................................ 12 PARAMETROS INFLUYENTES EN LA CALIDAD DEL OSCILOSCOPIO .................... 12 Ancho de Banda .................................................................................................................. 12 Tiempo de subida ................................................................................................................ 12 Sensibilidad vertical ............................................................................................................ 12 Velocidad ............................................................................................................................ 12 Exactitud en la ganancia ...................................................................................................... 12 Exactitud de la base de tiempos .......................................................................................... 13 Velocidad de muestreo ........................................................................................................ 13 Resolución vertical .............................................................................................................. 13 Longitud del registro ........................................................................................................... 13 BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................... 14
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CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA CORRIENTE CONTINUA O DIRECTA DENOMINACION EN INGLES (DC) DENOMINACION EN ESPAÑOL (CC) La corriente continua es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo positivo que los atrae de una fuente de fuerza electromotriz (FEM), tal como ocurre en cualquier fuente generadora de este tipo de corriente. La energía necesaria para que se muevan estos electrones es generada por pilas y baterías (transformación de energía química en eléctrica) o por células fotovoltaicas (energía radiante -luz- en eléctrica)
Es importante conocer que ni las baterías, ni los generadores, ni ningún otro dispositivo similar crea cargas eléctricas, de hecho, todos los elementos conocidos en la naturaleza las contienen, pero para establecer el flujo en forma de corriente eléctrica es necesario ponerlas en movimiento. Como se habrá podido comprender, sin una tensión o voltaje ejerciendo presión sobre las cargas eléctricas no puede haber flujo de corriente eléctrica. Por esa íntima relación que existe entre el voltaje y la corriente generalmente en los gráficos de corriente directa, lo que se representa por medio de los ejes de coordenadas es el valor de la tensión o voltaje que suministra la fuente de FEM.
Ejemplo Hidráulico:
El movimiento de las cargas eléctricas se asemeja al de las moléculas de un líquido, cuando al ser impulsadas por una bomba circulan a través de la tubería de un circuito hidráulico cerrado.
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Las cargas eléctricas se pueden comparar con el líquido contenido en la tubería de una instalación hidráulica. Si la función de una bomba hidráulica es poner en movimiento el líquido contenido en una tubería, la función de la tensión o voltaje que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM) es, precisamente, bombear o poner en movimiento las cargas contenidas en el cable conductor del circuito eléctrico.
Conductores: Los elementos o materiales que mejor permiten el flujo de cargas eléctricas son los metales y reciben el nombre de “conductores”. La plata es el metal que conduce con más facilidad la electricidad, pero dado su costo tan elevado, no es común usarla como conductor en los circuitos eléctricos. El cobre es el conductor más usado por su bajo costo, aparte de ser un buen conductor de la electricidad. Es también usado el aluminio. Pero este presenta el inconveniente que no se puede soldar por los medios comunes, por lo mismo es muy limitado su uso en casas, solamente en líneas de transmisión de alto voltaje. Cuando medimos la resistencia de trozos de metal distintos, del mismo tamaño y grueso, se encuentra que el hierro tiene una resistencia seis veces mayor que la del cobre, en tanto que uno de plata alemana tiene una resistencia casi 13 veces más alta que la del cobre. Ej.: Conductor
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Resistividad relativa
Plata pura
0,925
Cobre recocido
1,000
Cobre endurecido
1,011
Aluminio(97,5%)puro
1,672
Zinc puro
3,608
Latón
4,515
Bronce con fosforo
5,319
Alambre de hierro
6,173
Níquel
7,726
Alambre de acero
8,621
Plata alemana
13,326
Hierro colado
71,400
Ejemplo de circuito eléctrico:
Circuito eléctrico compuesto por una pila o fuente de suministro de FEM; una ampolleta, carga o<. consumidor conectada al circuito y los correspondientes conductores o cables por donde fluye la corriente eléctrica. A la derecha aparece la representación gráfica del suministro de 1,5 volt de la pila< (eje. de coordenadas “y”) y el tiempo que permanece la pila suministrando corriente a la Ampolleta (representado por el eje de coordenadas “x”).
Normalmente cuando una pila se encuentra completamente cargada suministra una FEM, tensión o voltaje de 1,5 volt. Si representamos gráficamente el valor de esa tensión o voltaje durante el tiempo que la corriente se mantiene fluyendo por el circuito cerrado, obtenemos una línea recta. Si después hacemos girar la pila invirtiendo su posición y representamos de nuevo el valor de la tensión o voltaje, el resultado sería el mismo, porque en ambos casos la corriente que suministra la fuente de FEM sigue siendo directa o continua. Lo único que ha cambiado es el sentido del flujo de corriente en el circuito, provocado por el cambio de posición de la pila, aunque en ambos casos el sentido de circulación de la corriente seguirá siendo siempre del polo negativo al positivo.
CORRIENTE ALTERNA DENOMINACION EN INGLES (AC) DENOMINACION EN ESPAÑOL (CA) La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos por segundo o hertz posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente directa.
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Tipos diferentes de corriente alterna De acuerdo con su forma grafica, la corriente alterna puede ser: Rectangular o Pulsante Triangular Diente de Sierra Sinusoidal o Sinodal
(A)
Onda rectangular o pulsante. (B) Onda triangular. (C) Onda diente de sierra. (D) Onda
sinusoidal o sinodal.
De todas estas formas, la onda más común es la sinusoidal o sinodal.
Cualquier corriente alterna puede fluir a través de diferentes dispositivos eléctricos, como pueden ser resistencias, bobinas, condensadores, etc., sin sufrir deformación. La onda con la que se representa gráficamente la corriente sinusoidal recibe ese nombre porque su forma se obtiene a partir de la función matemática de seno. En la siguiente figura se puede ver la representación gráfica de una onda sinusoidal y las diferentes partes que la componen:
De donde:
A = Amplitud de onda P = Pico o cresta N = Nodo o valor cero V = Valle o vientre T = Período
Amplitud de onda: máximo valor que toma una corriente eléctrica. Se llama también valor de pico o valor de cresta. Pico o cresta: punto donde la sinusoide alcanza su máximo valor. Nodo o cero: punto donde la sinusoide toma valor “0”.
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Valle o vientre: punto donde la sinusoide alcanza su mínimo valor. Período: tiempo en segundos durante el cual se repite el valor de la corriente. Es el intervalo que separa dos puntos sucesivos de un mismo valor en la sinusoide. El período es lo inverso de la frecuencia y, matemáticamente, se representa por medio de la siguiente fórmula: T=1/F
Como ya se vio anteriormente, la frecuencia no es más que la cantidad de ciclos por segundo o hertz (Hz), que alcanza la corriente alterna. Es el inverso del período y, matemáticamente, se representa de la manera siguiente: F=1/T
Ventajas de la corriente alterna sobre la corriente continua Entre algunas de las ventajas de la corriente alterna, comparada con la corriente directa o continua, tenemos las siguientes: Permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión por medio de transformadores. Se transporta a grandes distancias con poca de pérdida de energía. Es posible convertirla en corriente directa con facilidad. Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos por segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de control a grandes distancias, de forma inalámbrica. Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y fáciles de mantener que los de corriente directa.
DIFERENCIAS CC & CA
En contraposición, los puentes de CC deben contar con muchos más componentes para obtener unos resultados similares y nunca con la misma estabilidad. Aunque actualmente se están probando modernas técnicas analógicas y estrategias de calibración interna por medio de microprocesadores, los puentes de CC siguen sin poder hacer frente a los de CA. Eliminación de fuerzas electromotrices (fems) térmicas y electroquímicas: cualquier sistema de medida práctico está expuesto a fems térmicamente generadas que surgen en el momento que uniones de diferentes metales, en la sonda de temperatura, en la resistencia de referencia o en el circuito de medida están expuestos a gradientes de temperatura (efecto Seebeck que es recíproco al Peltier). Una medida del voltaje a través de la sonda de temperatura aplicando una corriente continua daría un valor incorrecto de la resistencia. Actualmente los puentes de corriente continua cambian el sentido de la corriente usando
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una excitación de corriente alterna de baja frecuencia y se toma una media del voltaje medido para evitar estos errores. Mientras esto elimina fems térmicas estáticas y electroquímicas, cualquier cambio que ocurra durante el tiempo de medida (que puede ser de varios minutos) puede causar errores. También esta estrategia de cambiar la dirección de la corriente no elimina el efecto de calentamiento Peltier que genera errores inevitables en sistemas de CC reversibles. La corriente de medida fluyendo a través del circuito produce el calentamiento esperado de la termo-resistencia y del circuito. Sin embargo esto produce también calentamiento Peltier en cualquier unión inter-metálica. Estas uniones emitirán o absorberán calor dependiendo del sentido de la corriente. Cuando un puente de corriente continua cambia el sentido de la corriente, esto también cambia el sentido del efecto Peltier correspondiente (las uniones que daban calor ahora absorben y viceversa) y esto cambia temperaturas de unión y sus correspondientes fems térmicas. Esto siempre produce errores positivos en la resistencia indicada. En contraste los puentes de CA sólo miden la componente alterna de cualquier voltaje y no dan tiempo a que se produzca un calentamiento o enfriamiento significativo durante cada ciclo de medida (típicamente 7 milisegundos). Estos puentes, por tanto, son inmunes a fems térmicas y electroquímicas. Mejor rendimiento por control del ruido: Todos los sistemas electrónicos son susceptibles de generar ruido incrementando así la incertidumbre en la medida. El espectro inherente del ruido en sistemas electrónicos muestra una forma 1/f característica en la cual el ruido se incrementa proporcionalmente con la inversa de la frecuencia por debajo de una frecuencia dada. Los puentes de CA trabajan por encima de esta frecuencia, luego tendrán un fondo de ruido mucho menor que los puentes de CC, los cuales por definición operan a una frecuencia cercana a cero. Por lo expresado la incertidumbre en la lectura de la resistencia en un puente de CA será menor. Velocidad de respuesta: Esto es una consecuencia de la característica de ruido apuntada en el apartado anterior. Básicamente, ruido y velocidad de respuesta son parámetros de un sistema electrónico que pueden tratarse. Dado que la CA ofrece un fondo de ruido menor esto quiere decir que un puente de CA puede equilibrar una medida a la misma precisión mucho más rápido que uno de CC. Además, los procesos del auto-cero y de calibración interna que se realizan en un puente de CC no son requeridos por un puente de CA, el cual da una medida continua de la temperatura. Esto quiere decir que el tiempo de medida es menor y la tasa de toma de medidas de cualquier sistema de medida con un puente de corriente alterna. Esto es particularmente importante cuando el puente se usa con un scanner ó multiplexor para tomar las lecturas de diferentes sondas. Ideal para medidas de temperatura: Los puentes de CC fueron desarrollados en un primer momento para la metrología de magnitudes eléctricas más que para la medida de temperaturas. Estos hacen medidas secuenciales con la corriente en ambos sentidos causándose retrasos en procesos complejos de auto-cero y calibración interna complejos cada vez que se cambia el sentido de la corriente. Esto significa que los resultados de medida son actualizados sólo cada varios segundos ó incluso minutos (para medidas más precisas). Cuando se mide el valor de la resistencia fija, la cual es bastante constante con la temperatura,
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un puente de CC es bastante adecuado para esta tarea. Por otro lado la temperatura, y por tanto, la resistencia de una PRT son propiedades dinámicas, sometidas a cambios significativos durante cortos períodos de tiempo. La técnica rápida y continua de medida en que se basan los puentes de CA es mucho más apropiada que la de los de CC. Los puentes de CA de hecho se pueden utilizar para medidas de efectos dinámicos, mientras que con los de CC prácticamente no sería posible. Armonización con el ruido de la sonda: Los transformadores armonizadores de ruido se pueden suministrar con un puente de CA, reduciendo así el ruido en la medida. Esto no se puede hacer en puentes de CC. Adaptación a la frecuencia de red: Las frecuencias de medida para un puente de CA son ajustadas a la frecuencia de la red evitando así interferencias en todos sus armónicos. Un puente de CA es capaz de evitar dichas interferencias ciclo a ciclo, mientras que uno de CC lo tiene que hacer calculando la media sobre largos períodos de medida. Necesidad nula de tiempo de calentamiento: Debido a que el núcleo de un puente de CA es un transformador que es intrínsecamente estable, hace que el puente no requiera tiempo alguno de calentamiento, por tanto se puede usar justo después de su encendido. Por el contrario los de CC requieren un tiempo prudencial de calentamiento para que sus circuitos internos se estabilicen. Inconvenientes en los puentes de CA: Sólo hay un inconveniente, el precio. La tecnología de los puentes de CA es por naturaleza más complicada que la de los de CC, con lo cual requiere soluciones más caras. Como con todas las cosas en la vida, uno consigue calidad en función de lo que paga y los puentes de CA son simplemente lo mejor para la medida de la temperatura, también constituyen una más que buena elección, dando al cliente grandes beneficios.
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AMPLITUD, PERIODO Y FRECUENCIA
AMPLITUD Es el valor máximo que adquiere una variable en un fenómeno oscilatorio o Elongación Máxima; se indica con las letras mayúsculas (Em). Esta magnitud se mide en voltios o en amperios, según se esté hablando de señal de tensión o intensidad de corriente eléctrica, respectivamente. El valor máximo positivo que toma la amplitud de una onda sinodal recibe el nombre de "pico o cresta", mientras que el valor máximo negativo de la propia onda se denomina "vientre o valle". El punto donde el valor de la onda se anula al pasar del valor positivo al negativo, o viceversa, se conoce como “nodo” o “cero”.
PERIODO El tiempo que demora cada valor de la sinusoide de corriente alterna en repetirse o cumplir un ciclo completo, ya sea entre pico y pico, entre valle y valle o entre nodo y nodo, se conoce como “período”. El período se expresa en segundos y se representa con la letra (T).
El período es lo inverso de la frecuencia y, matemáticamente, se puede representar por medio de la siguiente fórmula: T=1/F
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FRECUENCIA (F): Es el número de ciclos que se producen por un segundo. La unidad para la frecuencia es el Hertz (Hz) 1 Hertz = 1 ciclo/seg La frecuencia es inversamente proporcional al periodo y se relacionan con la siguiente ecuación: F = 1/T Frecuencia (F) se mide en Hz y Periodo (T) en segundos. La corriente alterna puede tener diferentes formas de onda, pero la más común es la que presenta una onda sinusoidal o sinodal por cada ciclo de frecuencia.
La frecuencia de la corriente que suministran los generadores o alternadores de las plantas eléctricas a las industrias y ciudades es, por ejemplo, de 50 ciclos por segundo o hertz (Hz) en Europa y de 60 ciclos por segundo o hertz en América. Para generar corrientes de 50 ciclos de frecuencia, los generadores tienen que girar a una velocidad constante de 3000 min-1 (revoluciones por minuto, o rpm) Si dividimos 3000 min-1 entre 60 segundos obtendremos como resultado 50 ciclos. Por otra parte, para obtener 60 Hz de frecuencia es necesario aumentar la velocidad de giro del rotor del generador o alternador hasta alcanzar 3600 rpm (3600 min-1 / 60 seg = 60 ciclos). La unidad de medida de la corriente alterna se denomina hertz (Hz), en honor del físico alemán Heindrich Rudolf Hertz (1857 – 1894), quien descubrió el principio que rige la propagación de las ondas electromagnéticas, conocidas también como “ondas hertzianas”. Años más tarde el físico e inventor italiano Guglielmo Marconi, basándose en ese principio descubierto por Hertz, logró construir el primer transmisor de ondas de radio. La frecuencia de la corriente alterna para uso industrial y doméstico ocupa sólo una pequeña porción del espectro de ondas electromagnéticas, correspondiente a las frecuencias extremadamente bajas, mientras que las de radio, televisión, microondas, rayos infrarrojos, etc., alcanzan valores de frecuencias mucho más altos.
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OSCILOSCOPIO El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. Los Osciloscopios pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente).1 A primera vista un osciloscopio se parece a una pequeña televisión portátil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla y el mayor número de controles que posee. En la siguiente figura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones:
** Vertical. ** Horizontal. ** Disparo. ** Control de la visualización ** Conectores.
FUNCIONES Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. Determinar que parte de la señal es DC y cual es AC. Localizar averías en un circuito. Medir la fase entre dos señales. Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo. 1
Una buena conexión a tierra es muy importante para realizar medidas con un osciloscopio.
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TIPOS DE ONDA QUE CLASIFICA UN OSCILOSCOPIO Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes: Ondas sinodales Ondas cuadradas y rectangulares Ondas triangulares y en diente de sierra. Pulsos y flancos ó escalones.
PARAMETROS INFLUYENTES EN LA CALIDAD DEL OSCILOSCOPIO Los términos definidos en esta sección nos permitirán comparar diferentes modelos de osciloscopio disponibles en el mercado.
Ancho de Banda Especifica el rango de frecuencias en las que el osciloscopio puede medir con precisión. Por convenio el ancho de banda se calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una señal de tipo senoidal se visualiza a un 70.7% del valor aplicado a la entrada (lo que corresponde a una atenuación de 3dB).
Tiempo de subida Es otro de los parámetros que nos dará, junto con el anterior, la máxima frecuencia de utilización del osciloscopio. Es un parámetro muy importante si se desea medir con fiabilidad pulsos y flancos (recordar que este tipo de señales poseen transiciones entre niveles de tensión muy rápidas). Un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos de subida más rápidos que el suyo propio.
Sensibilidad vertical Indica la facilidad del osciloscopio para amplificar señales débiles. Se suele proporcionar en mV por división vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div).
Velocidad Para osciloscopios analógicos esta especificación indica la velocidad máxima del barrido horizontal, lo que nos permitirá observar sucesos más rápidos. Suele ser del orden de nanosegundos por división horizontal.
Exactitud en la ganancia Indica la precisión con la cual el sistema vertical del osciloscopio amplifica ó atenúa la señal. Se proporciona normalmente en porcentaje máximo de error.
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Exactitud de la base de tiempos Indica la precisión en la base de tiempos del sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el tiempo. También se suele dar en porcentaje de error máximo.
Velocidad de muestreo En los osciloscopios digitales indica cuantas muestras por segundo es capaz de tomar el sistema de adquisición de datos (específicamente el conversor A/D). En los osciloscopios de calidad se llega a velocidades de muestreo de Megamuestras/sg. Una velocidad de muestreo grande es importante para poder visualizar pequeños periodos de tiempo. En el otro extremo de la escala, también se necesita velocidades de muestreo bajas para poder observar señales de variación lenta. Generalmente la velocidad de muestreo cambia al actuar sobre el mando TIMEBASE para mantener constante el número de puntos que se almacenaran para representar la forma de onda.
Resolución vertical Se mide en bits y es un parámetro que nos da la resolución del conversor A/D del osciloscopio digital. Nos indica con que precisión se convierten las señales de entrada en valores digitales almacenados en la memoria. Técnicas de cálculo pueden aumentar la resolución efectiva del osciloscopio.
Longitud del registro Indica cuantos puntos se memorizan en un registro para la reconstrucción de la forma de onda. Algunos osciloscopios permiten variar, dentro de ciertos límites, este parámetro. La máxima longitud del registro depende del tamaño de la memoria de que disponga el osciloscopio. Una longitud del registro grande permite realizar zooms sobre detalles en la forma de onda de forma muy rápida (los datos ya han sido almacenados), sin embargo esta ventaja es a costa de consumir más tiempo en muestrear la señal completa.
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BIBLIOGRAFIA
OVREDALtcm técnicas de calibración y medición www.scribd.com www.electricasas.com www.kalipedia.com www.mitecnologico.com Tecnología General, Santillana. http://usuarios.iponet.es/agusbo/osc/osc_1.htm
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