OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA OBJETIVO Lograr que los estudiantes se faciliten con el osciloscopio, el cual será usado como: Instrumento de medida de voltaje constante, voltaje alterno, y como instrumento para para medir medir amplitu amplitud, d, periodo periodo y frecuenc frecuencia ia de diferent diferentes es funcion funciones es de voltaje voltaje periódicas en el tiempo. Grafico XY .
EQUIPO • • • • • • •
Un osciloscopio de 25 MH Z, Elenco modelo S-1325 Dos pilas de 1.5 voltios cada una Una fuente de voltaje constante con varias salidas Un trasformador de voltaje alterno 220/6V, 60 H Z. Un generador de función elenco GF-8026 Cables de conexión Un multímetro digital
Figura 1 PANTALLA
HAZ DE ELECTRONES
Y
X
PLACAS V
CAÑON DE ELECTRONES PLACAS H
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DEL OSCILOSCOPIO El osciloscopio es un instrumento que permite medir voltajes y en consecuencia cualquier cantidad física que por medio de algún dispositivo se trasforme a una diferencia de potencial. El componente principal de un osciloscopio es el llamado tubo de rayos catódicos (TRC), mostrado esquemáticamente en la figura 1. El tubo (dentro del cual se a realizado el vació), contiene un cañón de electrones, dos pares de placas deflectoras y una pantalla consistente en una placa transparente recubierta con material fluorescente. El principio del osciloscopio como instrumento para medir voltajes constantes se puede comprender resolviendo el siguiente problema. Un has de electrones es lanzado a partir del punto O con velocidad v en la dirección del eje Z (ver figura 2). Si ningún potencial es conectado a las placas deflectoras, paralelas al plano Y-Z, los electrones se moverán en línea recta a lo largo del eje Z y chocarán en el punto O’ en la pantalla fluorescente donde aparecerá un punto luminoso. Si una diferencia de potencial v1 se establece entre las placas, los electrones tendrán un movimiento parabólico entre Z = O y Z = L1 , y un movimiento uniforme rectilíneo entre Z = L1 y Z = L2 . Los electrones chocarán finalmente en la pantalla desviados una distancia x respecto al punto O’. Exprese la desviación x en términos de geometría del problema de la diferencia de potencial V 1 entre las placas. o
Figura 2
X
X
V1
O
O
V0
Z
Pantalla
Placas
fluorescente
deflectoras
L1
La respuesta es:
I
L2
x
=
e mv o
2
1 2 ( L1 + L1 L2 ) 2
(29.1)
CONCLUSIÓN: Un electrón que es lanzado por el eje de las placas experimenta una desviación x que es proporcional a la diferencia de potencial V 1 entre las placas H. un par de placas paralelas del plano XZ (placas V) sometidas a una diferencia de potencial V 2 desviaran al has de electrones en la dirección de eje Y una distancia y que es proporcional a V 2 . Este es el principio del osciloscopio como instrumento de medida de voltajes constantes. Si en lugar de colocar un potencial constante entre las placas H se conecta un potencial que varia lineal y periódicamente con el tiempo (ver figura 3), entonces se tendrá en la pantalla fluorescente un punto luminoso cuya posición varia también linealmente con el tiempo a lo largo del eje X. puesto que x es proporcional al tiempo se puede establecer una correspondencia entre la longitud de un cuadradito en la pantalla del osciloscopio y el tiempo que demora el punto luminoso en recorrer dicha longitud, es decir, la longitud a lo largo del eje X puede representar una escala de tiempo. ( x proporcional a V y V proporcional a t, entonces x es proporcional a t).
Figura 3
X(t)
t
Si no conecta ningún potencial a las placas H y se conecta un potencial senoidal a las placas V, el punto luminoso experimenta un movimiento armónico simple o a lo
largo del eje Y. si la frecuencia es demasiado grande solo se observará una línea vertical en la pantalla del osciloscopio. Si se conectan simultáneamente las placas H a un potencial que varié lineal y periódicamente con el tiempo y las placas V a un potencial senoidal, entonces el punto luminoso estará sometido a un movimiento compuesto: movimiento rectilíneo uniforme a lo largo del eje X y movimiento armónico simple a lo largo del eje Y. se observara en la pantalla una función senoidal y vs x, pero puesto que los desplazamientos verticales son proporcionales a V 2 y los horizontales son proporcional al tiempo, se puede decir que lo que se tiene en la pantalla es un grafico potencial vs tiempo correspondiente al voltaje que se ha conectado a las placas V. Este es el principio del osciloscopio para medir amplitud., período y frecuencia de voltajes alternos. La figure 4 ilustra gráficamente este principio. ( V 2 Puede ser cualquier otra función de voltaje V (t) no necesariamente senoidal).
Figura 4
Y
Y
X
t
T
x
T
t
A las placas H se puede conectar un voltaje no necesariamente lineal, se puede conectar una función voltaje V 1 (t ) cualquiera. Simultáneamente se puede conectar a
las placas V un voltaje V 2 (t ) . En este caso, en cada instante, la desviación horizontal es proporcional a V 1 (t ) , y la desviación vertical es proporcional a V 2 (t ) . Se puede decir que lo observado en la pantalla es un grafico de la relación V 1 vsV 2 . En la práctica V 1 pude ser proporcional a una cantidad física X mientras que V 2 puede ser proporcional a una cantidad física Y. Este es el principio del uso del osciloscopio como graficador XY. El ejemplo más a sencillo de un gráfico XY es cuando se conecta el mismo voltaje senoidal tanto a la placa H como a las placas V. en este caso, en cualquier instante, V V 2 , y por lo tanto la desviación horizontal y la desviación vertical son la misma 1 longitud. Esto hace que el gráfico obtenido sea una recta de pendiente 1. =
PROCEDIMIENTO A.
Identificación de controles e interruptores del osciloscopio
1. Observe el osciloscopio e identificar controles e interruptores en el osciloscopio
2.
real con los enumerados en la figura 5. En las instrucciones siguientes nos referimos a los controles del osciloscopio sólo por su número correspondiente en la figura 5. Encienda el osciloscopio usando el interruptor 4. Se encenderá una luz roja en el botón 5; usando los interruptores 6 y 8 logre que el punto o lo línea tengan una intensidad y un ancho adecuado a su vista.
3. Observe que la señal que el osciloscopio puede ser línea o punto dependiendo de la posición del interruptor 30. Línea en la posición “afuera” y punto en la posición “adentro”. Discuta con el profesor que es lo que se conecta internamente en el osciloscopio a las placas H para cambiara de uno a otro modo.
4. Sin conectar ningún potencial externo ni en 12 ni en 17, coloque 15 y 20 ambos en posición GND. Con el control 21 en posición CHA (canal 1) use los controles 11 y 27 para colocar el punto luminoso en el centro de la pantalla del osciloscopio. Con el control 21 en CHB (canal 2) use los controles 16 y 27 para colocar el punto luminoso en el centro de la pantalla o en el punto que usted elija como cero para sus medidas de voltaje.
B. Medidas de voltaje dc 5. Coloque los interruptores 15 y 20 en la posición DC. Conecte una fuente de voltaje constante (una pila por ejemplo) a la conexión 12. Manteniendo el control 21 en posición CHA y el control 24 en CHB observe la desviación vertical del punto luminoso. Use las diferentes escalas dadas por el interruptor 13 y decida cuál es la más conveniente.
6. Repita lo hecho en el paso 5 con el voltaje constante conectado a la conexión 17, el control 21 en la posición CHB y el 24 en CHA. Use ahora las escalas dadas por el interruptor 18.
NOTA. Para que las escalas de los interruptores 13 y 18 sean dados directamente en voltios por división es necesario que los controles 14 y 19 se encuentren en sus posiciones: rotados totalmente en sentido horario y empujados hacia dentro.
7. Investigue las funciones de los controles 14 y 19 jalando cada uno de ellos hacia fuera y rotándolos en sentido antihorario.
8. Regrese los controles 14 y 19 a sus posiciones tales que 13 y 18 den lecturas en voltios por división.
9. Use la fuente de voltaje constante con varias salidas y mida el voltaje de cada salida con el osciloscopio. Compare con los resultados obtenidos usando el multímetro digital.
C. Medidas de voltaje ac: amplitud, voltaje pico-pico, periodo y frecuencia 10. Coloque el interruptor 30 en la posición “afuera” 11. Conecte el trasformador de 6 V a la conexión 12 y el interruptor 21 en CHA. Encuentre la mejor escala de voltios por división (control 13) y la del tiempo por división (control 28) para ver completamente un periodo del voltaje senoidal. Use el control 25 para estabilizar el gráfico en la pantalla del osciloscopio. El número de cuadritos “verticales” multiplicado por el valor indicado en el interruptor 13 nos da la medida en voltios tanto de la amplitud como voltaje pico-pico. El número de cuadritos horizontales multiplicado por el valor indicado por el interruptor 28 nos da el periodo del voltaje alterno del trasformador. Esto es cierto sólo si el control 29 esta en posición totalmente rotado en sentido horario. La frecuencia en hertz (Hz) es la inversa del periodo (f = 1 / T)
12. Repita las medidas hechas en 11 usando CHB. 13. Compare los valores de amplitud y voltaje pico-pico con el voltaje eficaz medido por multímetro. La relación es V ef V 2 / 2 , siendo V la amplitud. Estos conceptos serán mejor comprendidos al final del curso en el capitulo de corriente alterna. =
14. Conecte el generador de onda ala conexión 17 y genere una onda de 7 voltios de amplitud y 100 Hz. Compare el valor digital de frecuencia dado por el generador de función de onda con el periodo medido en el osciloscopio.
D. Otras funciones de voltaje V (t) 15. Produzca con el generador de función onda voltajes que dependen del tiempo en forma de onda cuadrada y en forma de diente de sierra. En cada caso relacione la frecuencia dada por el generador con el período medido con el osciloscopio.
E. Osciloscopio como graficador XY Para que el osciloscopio funcione como graficador XY es necesario que el interruptor 30 esté en la posición “adentro”, el interruptor 24 en CHA, y el 21 en CHB.
16. Conecte la salida del trasformador de 6 voltios simultáneamente a CHA y a CHB. Con el interruptor 30 en posición “afuera” observe como se ve el voltaje senoidal en cada canal. Con ayuda de los controles 11 y 16 trate de ubicar las señales del canal 1 y canal 2 en diferentes alturas de la pantalla del osciloscopio. Colocando el interruptor 21 en posición DUAL observara ambos voltajes al mismo tiempo.
17. Ponga el interruptor 30 en posición “adentro”, el 21 en CHB y el 24 en CHA, observe el grafico XY.
18. Observe el efecto de jalar hacia “afuera” el interruptor 16. 19. Conecte el trasformador al canal 1 y el generador de función al canal 2. Genere una función de onda de 60 hertz y observe el grafico XY. 20. Repita 19 usando frecuencias de 120, 180 y 240 Hz.
RESULTADOS MÍNIMOS 1. Haga una tablado tres columnas indicando el voltaje medido con el osciloscopio, el voltaje medido con el multímetro y el voltaje nominal de cada salida de la fuente. 2. Es realmente constante el voltaje dado por esta fuente? 3. Cual es el periodo del voltaje alterno dado por el trasformador de 6 voltios? Diga el numero de divisiones cuando el interruptor 28 esta en posición 1ms/ división, 2 ms/división, 5 ms/división. Cual es la frecuencia medida?
4. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio e indique lo observado en los pasos 17 y 18 del procedimiento.
5. Si el osciloscopio esta en modo XY y coloca un voltaje constante de 1.5 voltios (una pila) en el canal 1 y de 3 voltios (fuente de voltaje constante con diferentes salidas) en el canal 2. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio indicando la señal observada.
6. Repita 5 pero con el control 16 en la posición “afuera”.
