Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y Administrativas
Licenciatura en Ingeniería Industrial Departamento de Competencias Integrales e Institucionales Academia de Laboratorio de Electricidad y Control Electricidad Industrial
Práctica Nº 2 “descripción y Operación del Osciloscopio”
Secuencia 3IM66 Equipo Nº 3 1. 2. 3. 4.
Moreno Martínez Lorena Nieves Reséndiz Juan Eduardo Pérez Galicia Joel Vázquez Ramírez Elías Rafael
Docente: García Vélez Enrique Fecha de Entrega: 30 de agosto de 2013
Práctica Nº 2 “Descripción y Operación del Osciloscopio” Objetivos A) Que el alumno conozca y utilice correctamente el osciloscopio para la medición de señales eléctricas. B) Que el alumno conozca las posibles aplicaciones de este instrumento para la solución de problemas. C) Que el alumno realice la medición de señales eléctricas, interprete resultados y los valores R.M.S.
Lista de material y equipo
Un osciloscopio. Una sonda para el osciloscopio. Un generador de señales. Un cable de alimentación para osciloscopio. Dos cables para conexiones.
Introducción ¿Qué es el osciloscopio? El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización grafica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado , representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado , representa el tiempo.
¿Qué podemos hacer con un osciloscopio?
Básicamente esto: 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.
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. Para abordar el tema del osciloscopio, es necesario recordar que la medición cuantitativa de una señal eléctrica, puede hacerse con un voltímetro o con un amperímetro según se trate de voltaje o corriente. La lectura obtenida con estos instrumentos representa el voltaje eficaz (R.M.S.) de la señal eléctrica, debido a que en la mayoría de los casos, su respuesta es proporcional a la cantidad de corriente de C.D. que circula por ellos.
Tipos de ondas Se pueden clasificar las ondas en cuatro tipos siguientes: o Ondas senoidales o Ondas cuadradas y rectangulares o Ondas triangulares y en diente de sierra
Ondas senoidales Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tiene esa forma, las señales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales. La señal senoidal amortiguada es un caso de este tipo de ondas y se producen en fenómenos de oscilación, pero que no se mantienen en el tiempo.
Ondas cuadradas y rectangulares Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en sí mismas todas las frecuencias). La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores. Las ondas rectangulares se diferencian de las en no tener iguales los intervalos en la que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.
Ondas triangulares y en diente de sierra Se producen en circuitos diseñados para controlar volantes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico o el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. Las transmisiones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transmisiones se denominan rampas. La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente.
Medidas en las formas de ondas En esta sección describimos las medidas más corrientes para describir una forma de onda.
Periodo y Frecuencia Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al número de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1 Hz equivale a 1 ciclo por segundo. Una señal repetitiva también posee otro parámetro: el periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo. Periodo y frecuencia son recíprocos en uno del otro.
Voltaje Voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una señal ( ) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa.
Fase La fase se puede explicar mucho si consideramos la forma de onda senoidal. La onda se puede extraer de la circulación de un punto sobre un círculo de 360. Un ciclo de una señal senoidal abarca los 360.
Diagrama a bloques del Osciloscopio HEWLETTPACKARD 1220ª. Breve descripción a bloques del osciloscopio de la figura No. 2.3.1 1 Tubo de rayos catódicos. Consta de un tubo o cañón electrónico al vacío que tiene en el extremo una pantalla fluorescente cubierta por fosforo. Los electrones que salen de un cátodo incandescente son acelerados y convertidos en un haz por una lámina que hace de ánodo produciendo una mancha luminosa en la pantalla fluorescente que es desviada por la acción de placas verticales y horizontales dispuestas en pares. (Fig. 2.3.2). 2 Amplificador vertical. Para mover el haz de electrones la tensión que se aplique a la placa (vertical u horizontal) ha de ser de cierta magnitud y con frecuencia los voltajes oscilantes que se suministraran al instrumento no lo suficientemente grandes, por lo cual se insertan dos amplificadores (horizontal y vertical) dispuestos de manera que, en caso necesario, los impulsos para cada par de placas se pueda amplificar (aumentar en magnitud) antes de que lleguen a las placas. El amplificador vertical se encarga de aumentar la tensión en al par de placas X. 3 Amplificador horizontal. Tiene la misma función que el amplificador vertical solo que se aumenta la tensión en las placas Y. 4 Aumentador vertical y horizontal. Modifica la ganancia de los amplificadores vertical y horizontal, respectivamente, permitiendo aumentar el tamaño de la imagen, el horizontal hacia la derecha e izquierda simultáneamente, y el vertical hacia arriba y abajo.
5 Amplificador de sincronía. Permite conectar el oscilador de la base de tiempo ya sea a la tensión alternada de la línea de alimentación de 60 ciclo por segundo; o bien a los bornes de sincronismo exterior, lo que permite sincronizar la base de tiempo con una tensión exterior. 6 Generador de barrido. Tiene como objeto llevar a cabo el barrido completo de la pantalla. El haz de electrones barre la pantalla, franja, desde el ángulo superior izquierdo hasta el ángulo inferior derecho y vuelve rápidamente al comienzo hasta completarse en cuadro o barrido completo de la pantalla. 7 Fuente de poder. Compuesta por una fuente de alimentación de alta tensión que suministra energía a los dispositivos del tubo de rayos catódicos y una fuente de alimentación de baja tensión que suministra energía al resto de los componentes del osciloscopio.
Descripción de Osciloscopio
Contactores
y
Conectores
del
1 Línea. Aplica alimentación de AC al instrumento. Fig. 2.4.1. 2 Intensidad. Controla la brillantez del haz. 3 Enfoque. Controla la forma y la claridad del haz, un ajuste interno asegura el enfoque apropiado de todas las partes del trazo. 4 Localizador del haz. Posiciona el haz dentro del área visible del tubo de rayos catódicos. Cuando se oprime este botón se reduce la ganancia del amplificador a un nivel donde el trazo no puede defrexionarse fuera de la pantalla. Observando la pantalla cuando se oprime este botón puede saber que otros controles deben ser ajustados para regresar al, trazo sobre la pantalla, es decir, controles de posición (este control solo se encuentra en el osciloscopio HEWLETT-PACKARD 1220A).
5 Posición horizontal. Ajusta los movimientos del trazo de un lado a otro de la pantalla. Cuando se usa el expansor, este control hace posible visualizar cualquier extremo del trazo expandido, a cualquier punto entre los extremos. 6 Tiempo/div/horizontal. Con el expansor en la opción calibrada (completamente girado en el sentido contrario al giro de las manecillas del reloj) las marcas sobre este cursor indica el tiempo que tomaría un punto sobre el tubo de rayos catódicos, para viajar una división horizontal. 7 Expansor. En efecto, es vemier de ganancia horizontal, accionándolo en el sentido del giro de las manecillas del reloj permite expandir el trazo hasta por un factor de 10. Esto tiene muchísimas aplicaciones cuando un punto en particular de una forma de onda es de interés. Cuando el expansor se encuentra fuera de la posición calibrada, las velocidades de barrido no se relacionan directamente a las marcas sobre el cursor (tiempo/div.). 8 Nivel de disparo. Este control permite al operador empezar el barrido a cualquier nivel de amplitud deseado de la señal aplicada. 9 ajuste de punta de prueba. En este punto una onda cuadrada generada internamente se presenta en la pantalla del osciloscopio y puede ser usada para compensar la baja capacitancia de las puntas de pruebas divisoras, colocando el gancho de la punta de prueba en este punto y conectando la punta de prueba en el amplificador vertical, el compensador de la punta de prueba, puede ser ajustado para acoplarse a la entrada del osciloscopio. 10 Interno. Este botón se oprime para seleccionar una señal de sincronía, generada internamente, la cual dispara el barrido. Al oprimir este botón, los botones externo 11 y línea 12 son liberados. Nota: el análisis de los controles y conectores 11 al 17, no los describimos debido a que su función es más aplicable al campo de la electrónica. 18 Posición del canal A. Posición del trazo verticalmente. La posición en el sentido del giro de las manecillas del reloj mueve el trazo hacia abajo. 19 Canal A volts/div. Los voltajes marcados en el cursor de este interruptor muestran exactamente que voltaje de entrada se requiere para deflexionar el haz verticalmente una división de la gráticula cuando el vernier está en posición calibrado. 20 Canal A. Este control proporciona una variación continua dentro de los rangos calibrados del control 19, y es útil cuando se efectúan comparaciones de voltaje.
21 Tierra del canal A. Cuando este botón se oprime el amplificador del canal A 23 es detectado. Automáticamente el trazo es aplicado al tubo de rayos catódicos. Este botón es útil para establecer un nivel de cero volts. 22 Canal AC/CD. Este botón determina, si la señal si la señal de entrada es conectada al amplificador capacitivamente AC o directamente CD. Cuando la señal acoplada directamente, (DC), el instrumento tiene un respuesta de 0 a 15 MHz, cuando la señal esta acoplada capacitivamente (AC), la respuesta en frecuencia del instrumento es de 2 Hz a 15 MHz. 23 Entrada canal A. 24-29 Controladores del canal B. Ver controladores del 18-23. 30 Presentación Vertical. Cuando dos señales verticales de entrada son aplicadas (una al canal A y otra al canal B), estos botones determinan cual canal será presentado en el tubo de rayos catódicos. Cuando la presentación vertical A se oprime, la señal de entrada del canal A se elige internamente como la señal que dispara el barrido. Esto permite al operador comparar el retardo entre dos señales.
Definiciones La forma de onda senoidal de la Fig. 2.5.1 con su notación, se utilizara como modelo para definir algunos términos básicos. Forma de onda. Es la trayectoria trazada por una cantidad como tensión, corriente, potencial, etc., dibujada en función de alguna variable (como la posición, tiempo, grados, temperatura, etc.) Valor instantáneo. Es la magnitud de una forma de onda en cualquier instante. Amplitud, valor máximo o valor pico (A, Vm, Vp). Es el valor máximo de una forma de onda. Valor pico-pico. Este es igual al doble del valor pico. En una onda el valor pico-pico es la distancia del valor máximo positivo al valor máximo negativo.
Forma de onda periódica. Es una forma de onda que se repite continuamente, después del mismo intervalo de tiempo. Fig. 2.5.1 Periodo. El periodo de una magnitud alterna (por ejemplo de una tensión o corriente) es el tiempo que tarda dicha magnitud en efectuar un ciclo completo. Con frecuencia se representa por T y sus unidades son segundos. Ciclo. Es el conjunto de valores positivos y negativos comprendidos en un periodo. Frecuencia. Es el número de ciclos generados en un segundo y se expresa como ciclos/seg o también en Hertz. La frecuencia es inversamente proporcional al periodo, es decir: ⁄
Valor eficaz La mayor parte de nosotros, sabemos que la tensión de que disponemos en los enchufes de nuestras casas, as una tensión senoidal de 60 ciclos/seg de frecuencia y de un valor de 127 volts. Pero ¿Qué significan 127 volts? Ciertamente no es un valor instantáneo de la tensión, pues ésta no es constante; tampoco es el valor máximo que se representa como Vm, pues si observamos la onda en un osciloscopio bien calibrado veremos que su valor máximo es de 179.6volts (o sea
√ ).
Tampoco podemos decir que sea un valor promedio de la onda senoidal, pues sí observamos gráficamente una onda de este tipo, vemos que su promedio es cero. Entonces ¿Qué significa el valor de 127 volts? Pues bien, 127 volts es el valor eficaz de la onda senoidal de tensión y es una· medida de eficacia de la fuente de tensión al entregar potencia a una carga resistiva.
El valor eficaz de una corriente alterna, se obtiene en función del efecto que produce sobre una resistencia determinada, comparativamente, con el efecto que en esta misma resistencia produce una corriente continua. Una corriente alterna que produce un calentamiento determinado en una resistencia, produce una corriente continua de 1 Amper, se dice que tiene un valor eficaz de un Amper. En la fig. 2.6.1 se ha presentado una resistencia R que puede ser alimentada alternativamente, por una fuente de corriente continua, o bien por una fuente de corriente alterna, según la posición de los interruptores.
Cuando se cierra el interruptor 1 estando abierto el 2, a través de R circula una corriente continua Fig. 2.6.2.
Esta corriente produce una disipación de potencia que se puede calcular como:
Ahora cuando cerramos el interruptor 2, estando abierto el 1, fig. 2.6.3 por R circula una corriente alterna que producirá una disipación de energía que puede calcularse como: ( ) Donde T es el periodo de onda. Si regulamos la fuente de tal manera que la energía disipada sea la misma en ambos casos, podremos escribir: ∫
( )
Dividiendo R y despejando esta ecuación tenemos: ∫ Al valor “I” se le llama valor eficaz de (t), por producir ambas corrientes la misma disipación de energía R.
Valor eficaz de una onda senoidal En el caso específico de una corriente de forma senoidal, el valor eficaz es: I=0.707 lm. Este valor se obtiene sustituyendo, en la ecuación general las expresiones que definen las variaciones de una onda senoidal, ver fig. 2.7.1. ∫ ( (
) (
) ( )
∫
)(
) (
√
( (
) )
(
)
)
El valor eficaz de una tensión alterna se define en forma análoga y se tiene que: (
)
Valor medio El valor medio de una tensión o una corriente alterna es el se obtiene en función del efecto que produce sobre una resistencia determinada, comparativamente, con el efecto que en esta misma resistencia produce una corriente continua. fig. 2.8.1 puesto que durante medio ciclo la tensión o la corriente dumentande cero, a un valor pico y luego disminuye acero, el valor promedio debe encontrarse en algún punto entre cero y el valor pico. Para una onda senoidal pura, el valor promedio es de 0.637 veces el valor pico es decir:
Debe tenerse cuidado de no contundir el valor medio, que es el promedio de medio ciclo, con el promedio de un ciclo completo. El promedio sobre un ciclo completo sería cero.
Valores de conversión Al trabajar con circuitos de C.A. pudiera necesitarse convertir a otros valores los datos o medidas de tensión o de corriente alterna. Por ejemplo convertir el valor medio a pico o un valor eficaz a valor medio. Para todas las conversiones existen 6 ecuaciones básicas que pueden aplicarse.
Valores medio y eficaz para funciones periódicas no senoidales Se pueden presentar señales eléctricas que sean análogas a una función triangular, cuadrada, exponencial, trapezoidal, etc. en donde se requiere determinar su valor medio o valor eficaz.
Para estos casos se emplean las siguientes formulas: ∫ ( ) ∫
( )
Medición del valor pico de señales eléctricas con el osciloscopio Para medir una señal eléctrica con el osciloscopio, una vez calibrado éste con la sonda conectada, se conecta la terminal positiva de la fuente de la señal eléctrica que se va a medir, a la terminal- del gancho y la terminal negativa de la fuente al ·caimán de la punta de prueba de la sonda. Es importante tener en cuenta que cuando se vaya a medir una señal de una fuente monofásica o de fase a neutro, la terminal de fase sea la que se conecte al gancho de la sonda y el neutro al calman. Apareciendo en la pantalla la señal que vamos a medir se procede a: 1 Enfocar la imagen con la perilla de focus, y darle la intensidad deseada con la perilla intensity, 2 Determinar el factor de atenuación de la sonda, el cual puede ser de 10 o de 1. 3 Con movimientos combinados de las perillas de volts/div y la de time/div. Determinar la sensibilidad en volts por división y la base de tiempo en segundos por división. 4. Girar la perilla del vernier de ganancia del canal que se esté utilizando y la perilla del expansor de tiempo, hasta su posición de calibración (cal.) 5. Se procede a contar el número de divisiones de la escala de la pantalla que ocupa la señal de pico a pico en el eje "'y". Neo de cuadros+ N° de divisiones. (Cada división vale 0.2). 6. El volt aje de pico a pico se t1btiene de la siguiente manera: Vpp=No de cuadros+ N° de divisiones del eje 'Y' x sensibilidad (volts/div) x factor de atenuación de la sonda. Teniendo este valor se procede a. obtener los demás valores de la onda senoidal que son:
En el caso de otras ondas que no son senoidales, se aplican las integrales.
Medición del periodo de señales eléctricas con el osciloscopio Se coloca la señal que tenemos en la pantalla, de tal forma que el inicio de un periodo coincida con una de las divisiones de las coordenadas de la pantalla. Se cuenta el número de divisiones de la escala que ocupa el periodo de la señal en el eje X No. de cuadros + No de divisiones. El periodo se conoce de la siguiente manera: T= No de cuadros + No de divisiones del eje X por base de tiempo (segundos por división). Por último se obtiene la frecuencia, sacando la inversa del periodo esto es:
Desarrollo de mediciones 1. 2. 3. 4. 5.
6. 7.
8. 9.
Encienda el osciloscopio. Encuentre el trazo del osciloscopio. Posicione el trazo vertical y horizontalmente con los controles de posición. Ajuste los controles de foco e intensidad para tener un trazo nítido y visible. Calibre los selectores de sensitividad (volts/div) y base de tiempo (time/div). Para lograr esto gire los controles centrales a tope del sentido indicado por las flechas de la calibración (cal). Conecte la sonda en la entrada vertical (canal A ó 1 6 X) y ejecute las mediciones indicadas en la tabla de mediciones. Para la medición de la onda cuadrada conecte la sonda a la salida del generador de funciones. Del generador seleccione una frecuencia y una amplitud {voltaje} al azar. Desarrolle mediciones de Vpp y período. Anote resultados en la tabla. Repita el paso 7, pero seleccionando una función triangular . . . Repita el paso 7, seleccionando una función senoidal.
