2 La fuente de alimentación Introducción Características de las fuentes de alimentación...22

Transcripción

1 1 El polímetro Introducción El polímetro analógico El amperímetro analógico en modo DC El voltímetro analógico en modo DC Amperímetros y voltímetros en modo AC El polímetro digital Funcionamiento de los medidores digitales Características de los medidores digitales Polímetros digitales Utilización del amperímetro y el voltímetro Utilización del voltímetro Utilización del amperímetro Utilización del amperímetro como voltímetro Utilización del voltímetro como amperímetro El Óhmetro La fuente de alimentación Introducción Características de las fuentes de alimentación El osciloscopio Introducción Sección de presentación El tubo de rayos catódicos Controles del cañon de electrones La pantalla Sección vertical Sistema de acoplamiento Sistemas de atenuación y amplificación El sistema Horizontal El generador de barrido El sistema de disparo Fuentes de sincronismo El modo X-Y Osciloscopios de doble canal Osciloscopios de doble haz Osciloscopios de doble traza Impedancia de entrada y sondas El osciloscopio digital introducción La frecuencia de muestreo Cuantificación Generadores de señal Introducción El modelo circuital Salidas flotantes y salidas referenciadas a tierra....51

2 4.2 Características de los generadores de señal Precisión en el ajuste de la frecuencia Estabilidad de la frecuencia Precisión en la amplitud Distorsión Espúreos Impedancia de salida Clases de generadores de señal El generador sinusoidal El generador de Funciones Bibliografía

3 1 El polímetro. 1.1 Introducción. Los polímetros son los instrumentos de medida básicos en cualquier laboratorio de medidas eléctricas. Estos elementos se denominan polímetros por su capacidad de poder medir distintas magnitudes, en concreto, la mayoría de los polímetros son capaces de actuar como voltímetros amperímetros y óhmetro. Podemos clasificar a los polímetros dentro de dos grandes grupos, los polímetros analógicos y los polímetros digitales. Los polímetros analógicos están basados en un dispositivo electromecánico que causa el movimiento de una aguja a lo largo de una escala, se distinguen pues, por tener un sistema continuo ( analógico ) de marcación. Los polímetros digitales están basados en el muestreo y digitalización de la señal a medir y se distinguen fácilmente por tener un sistema de marcación digital (figura 1). Figura El polímetro analógico El mecanismo más utilizado en los polímetros analógicos como mecanismo sensor es el galvanómetro D Arsonval. Este mecanismo es sensible a la corriente y esta basado en la interacción de la corriente que circula por una bobina y el campo magnético generado por un imán permanente. Figura 2 La bobina puede moverse mediante un movimiento circular y posee un dispositivo de recuperación. Cuando no circula corriente la bobina está en reposo. Al aplicar una corriente esta tiende a moverse. Si la corriente es constante se produce una situación de equilibrio entre el par de deflexión producido por la fuerza magnética y el par recuperador debido al muelle de recuperación. La desviación alcanzada por la bobina es proporcional a la corriente que circula por ella. Si fijamos una aguja a la bobina y aplicamos una escala calibrada dispondremos de un dispositivo capaz de medir corrientes (figura 3). 3

4 Figura 3 Cuando la corriente que circula por la bobina varía lentamente con el tiempo la aguja responde con cierta inercia mecánica, esta inercia limita la repuesta del sistema a señales de baja frecuencia. Si la frecuencia es suficientemente elevada la respuesta es proporcional al valor medio de la señal, es decir, a su componente continua. El galvanómetro se caracteriza por una resistencia interna R in debida a la resistencia del bobinado y la corriente que produce la deflexión máxima del galvanómetro. A la corriente que produce la deflexión máxima se la denomina corriente a fondo de escala I fe. A esta corriente se denomina también, sensibilidad del galvanómetro. En la figura 4 podemos ver la representación esquemática de un galvanómetro. Se representa como un galvanómetro ideal más una resistencia en serie cuyo valor es el valor de la resistencia interna del galvanómetro. Figura 4 Usando el modelo de la figura 4 podemos calcular el error introducido por el galvanómetro en el circuito de medida. Esto lo podemos ver en siguiente ejemplo. 4

5 Ejemplo 1 Tenemos un galvanómetro con una sensibilidad de 50 :A y una resistencia interna de 2K5 S, queremos medir la corriente que circula por una resistencia de 100 KS y alimentada con 5 V. Sin el galvanómetro la corriente que circula por la resistencia es: (1) Con el galvanómetro insertado la resistencia total del circuito será de KS, con lo cual la corriente medida será: (2) El error cometido en la lectura debido al galvanómetro es: (3) En los galvanómetros se especifica el error de calibrado, que es el valor máximo entre el valor medido por el galvanómetro y el valor real. Este error se expresa en % de I fe y es un error absoluto de corriente, ya que el porcentaje de I fe es un valor fijo de corriente. Al ser un error absoluto su efecto es mayor en las lecturas al comienzo de la escala, por lo cual es conveniente realizar las medidas con la máxima deflexión posible El amperímetro analógico en modo DC El galvanómetro, pues, nos permite medir corrientes que no superen su sensibilidad, para poder medir corrientes mayores con él se coloca en paralelo con el galvanómetro una resistencia, denominada resistencia shunt que desvíe parte de la corriente a través de ella. Figura 5 5

6 El valor de la resistencia shunt depende la escala deseada, cumpliendose: Ejemplo 2 Obtenga un medidor de 150mA a fondo de escala a partir de un galvanómetro con una resistencia interna de 50 S y una sensibilidad de 1 ma. (4) (5) Para diseñar un amperímetro multirrango se colocan varias resistencias shunt en paralelo con el galvanómetro (figura 6). Figura El voltímetro analógico en modo DC La mayor parte de los voltímetros analógicos están basados en el galvanómetro. Para comprender esto tenemos que tener en cuenta que el galvanómetro es capaz de medir corrientes, pero que por la ley de Ohm, la corriente que circula por un galvanómetro, es proporcional a la tensión entre sus bornas. Por ejemplo un galvanómetro con una resistencia interna de 1 KS y una sensibilidad de 1 ma, la tensión máxima que es capaz de medir será de 10-3 * 1000 = 1 voltio. Podemos pues, poner la escala de la aguja para que mida voltios en lugar de amperios, hasta un valor de 1 Voltio, valor de tensión a la cual la corriente que circula por el galvanómetro produce la máxima desviación de la aguja. Para aumentar el rango de medidas, podemos poner en serie con el galvanómetro, una resistencia (llamada multiplicadora). Esta resistencia limita la corriente que fluye a través del galvanómetro (figura 7). Figura 7 6

7 Para el cálculo de la resistencia debemos de tener en cuenta que cuando la tensión que hay en bornas del voltímetro es igual a la tensión a fondo de escala (tensión máxima que es capaz de medir a esa escala), la corriente que circula por él debe de ser igual a la sensibilidad del galvanómetro (corriente a fondo de escala del galvanómetro). (6) La resistencia de entrada del voltímetro (R in + R serie ) depende de la escala de medida escogida. En el siguiente ejemplo, podemos ver como calculamos el valor de la resistencia. Ejemplo 3 Calcular la resistencia que se debe de colocar en serie con un galvanómetro de características R in = 50S y corriente a fondo de escala de 1 ma para obtener un voltímetro de 10 V a fondo de escala. Para medir 10 V la resistencia total del voltímetro será: (7) Podemos diseñar fácilmente un voltímetro multirrango si introducimos varias resistencias y un conmutador entre ellas (figura 8) Figura 8 La sensibilidad del voltímetro expresa la relación entre la resistencia interna del voltímetro y la corriente a fondo de escala, esta relación es única y se expresa en S/V, S = 1/I fe. Valores típicos de S son S/V, que suponen una resistencia de entrada en la escala de 20 V de 20x20000 = 400 KS. En el siguiente ejemplo podemos ver el cálculo de la sensibilidad de un voltímetro basado en un galvanómetro con una corriente a fondo de escala de 1mA. (8) 7

8 1.2.4 Amperímetros y voltímetros en modo AC Los medidores AC son similares a los medidores DC, excepto que las magnitudes medidas están relacionadas con la forma de onda de la señal AC. Las magnitudes que pueden ser leídas por un medidor AC son el voltaje medio de la señal, el valor de pico o el valor eficaz de la señal. Los medidores AC, usualmente, están calibrados para medir valores eficaces de la señal. Los aparatos analógicos, como hemos comentado repetidamente, están basados en el galvanómetro D Arsonval. Este tipo de aparatos responden al valor medio de la corriente que los atraviesa (el valor medio de la señal se puede medir, pues, con el medidor en modo DC, el valor medido es el valor medio de la señal). Por ello, para que el polímetro marque un valor distinto de cero, la señal debe de tener un valor medio no nulo (una señal sinusoidal, por ejemplo, tiene un valor medio cero, por lo que el galvanómetro mediría un valor cero en presencia de señal). Es necesario introducir un mecanismo de rectificación, a fin de obtener una señal de valor medio no nulo, capaz de producir una deflexión de la aguja del galvanómetro. El método más sencillo de rectificado es el rectificador de media onda. Este método de rectificado elimina los semiciclos negativos de la señal, quedando pues una señal de valor medio distinto de cero. El circuito más sencillo capaz de realizar esto utiliza un diodo y lo podemos ver en la figura 9. Otra manera de conseguir una señal de valor medio distinto de cero es mediante el circuito rectificador de onda completa (figura 10). Figura 9 Figura 10 Las señales a la salida de los rectificadores tienen un valor medio distinto de cero, y por lo tanto, el galvanómetro será capaz de medir (se produce desviación de la aguja). Vamos a ver el caso particular de la señal sinusoidal. El valor eficaz de una señal sinusoidal vale V ef = V p /%2, y el valor medio de la señal rectificada por el circuito rectificador de media onda vale V m = V p /B y en el caso del circuito rectificador de onda completa vale V m = 2V p /B. La relación entre el valor medio de la señal rectificada y el valor eficaz de la señal están matemáticamente relacionados, mediante el denominado factor de forma (ecuación (9)): (9) 8

9 Si sustituimos los valores de la tensión eficaz (V ef = V p /%2) y el valor medio (V m = V p /B media onda o V m = 2V p /B onda completa) en la expresión del factor de forma, nos queda que el valor del factor de forma para una señal sinusoidal utilizando el rectificador de media onda es FF = 2,22 y con el rectificador de onda completa el valor es FF = 1,11. Conociendo el valor del factor de forma para una señal determinada, podemos obtener el valor eficaz de dicha señal a partir del valor medio de la señal rectificada aplicando la ecuación 10. (10) Esta operación matemática se realiza en los aparatos empleando una escala que hace corresponder la desviación obtenida con el valor que se debe de leer, presuponiendose que la señal sobre la que se va a realizar la medida es una señal sinusoidal. Así pues, podemos medir valores eficaces con un medidor analógico siempre que la señal a medir sea una señal sinusoidal pura sin componente continua (la componente continua puede ser eliminada fácilmente mediante un condensador de valor elevado puesto en serie). En el caso de que la señal no sea una sinusoidal pura el valor medido sería erróneo, pues el factor de forma utilizado para calibrar la escala corresponde a una señal sinusoidal, por ello, se dice que los medidores analógicos son de falso valor eficaz. Si conocemos la forma de onda de la señal medida podemos compensar el error y obtener el verdadero valor eficaz. Ejemplo 4 Obtenga el verdadero valor eficaz y el error cometido si la señal medida es una señal triangular y el voltímetro marca una tensión de 2,22 V ef. Sabemos que el voltímetro muestra en el display un valor que 1,11 veces el valor medio de la señal, por lo que el valor medio de la señal rectificada será V m = 2,22/1,11 = 2 voltios. También sabemos que el valor de pico de la señal triangular es V p = 2 V m (figura 11) El error cometido será: La sensibilidad de un voltímetro analógico en modo AC es menor que la sensibilidad en modo DC, tanto como el factor de forma, es decir, depende del tipo de rectificación que se emplee. (11) (12) (13) Figura 11 9

10 1.3 El polímetro digital El medidor electrónico digital se caracteriza por presentar su valor en una pantalla alfanumérica. Estos medidores presentan una serie de ventajas frente a los medidores a los analógicos: 1- La exactitud de los medidores digitales es mucho mayor que sus equivalentes analógicos. 2- Se presenta un único valor para su lectura. Dos observadores ven el mismo valor, los errores de paralelado de la aguja o de equivocación en la elección de las distintas escalas de la aguja es eliminado. 3- La presentación numérica del resultado acelera la lectura. 4- La precisión (repetitividad) es mayor conforme aumenta el número de dígitos. Los medidores digitales poseen ademas protecciones frente a la sobrecarga y la polaridad inversa. Ademas pueden tener escalas auto-rango. Los medidores digitales suelen clasificarse por el número de dígitos que presentan en su display, así pues, se suele hacer referencia a ellos como un polímetro de 3½ dígitos, 4½ dígitos o más. Que quiere decir 3½ dígitos?. Quiere decir que el display del polímetro tiene tres dígitos que toman valores entre 0 y 9 (dígitos completos) y un dígito que solo toma dos valores (½ dígito) este dígito suele ser el más significativo, en cuyo caso toma únicamente los valores 0 y 1. En caso de ser el dígito menos significativo este dígito toma los valores 0 y Funcionamiento de los medidores digitales La base de los medidores digitales esta en la conversión de las magnitudes continuas (tensión, corriente) a una magnitud digital. La conversión analógico-digital (conversores A/D) se estudiará con detalle en cursos posteriores, sin embargo, vamos a dar aquí algunas nociones. La idea básica de la conversión es tomar una serie de muestras de la señal analógica a medir en determinados intervalos de tiempo. Figura 12 En la figura 12 podemos ver un ejemplo de digitalización de una señal y su posterior reconstrucción. 10

11 El primer paso de la digitalización de una señal es la toma de muestras (una muestra es el valor que toma la señal en un determinado instante de tiempo), a intervalos fijos de tiempo. El valor de estos intervalos tiene gran importancia, pues cuanto menor sean los intervalos mayor será la precisión y mejor será la reconstrucción, sin embargo, el volumen de información crece. Es necesario encontrar un equilibrio en el tamaño de estos intervalos. Existe un teorema (que será estudiado en cursos posteriores) que relaciona el ancho de banda de la señal con el máximo tamaño del intervalo para poder reconstruir la señal con exactitud. A continuación, las muestras tomadas son cuantificadas (se les asigna una valor dentro de un intervalo) es decir, si los intervalos de cuantificación van de 0,1 en 0,1 y una muestra tiene un valor de 1,67 se le asigna a esta 1,7. Este valor es el valor de la señal digital. En la figura 13 podemos ver un ejemplo de un circuito digitalizador de tensión. Figura 13 En la gráfica de la figura podemos ver como trabaja el conversor. Cuando llega la señal de comienzo, la señal de entrada es comparada con la salida del un conversor digital/analógico (DAC). La salida del conversor digital/analógico comienza en cero y es incrementada una unidad con cada pulso del reloj. Mientras que la entrada V in sea mayor que la salida del DAC, el comparador produce una señal de salida que permite a la lógica de control que el pulso de reloj alimente al contador para que este pueda seguir incrementando su salida. En el momento que la salida del DAC es mayor que V in, la salida del comparador cambia y la lógica de control detiene los pulsos de reloj que alimentan al contador. En ese momento la salida del contador representa la entrada V in en formato digital. Una vez que el valor digital es obtenido el sistema es inicializado para comenzar una nueva cuenta Características de los medidores digitales. La precisión de un medidor digital es usualmente mayor que la de un medidor analógico, pero las especificaciones dadas por el fabricante pueden ser difíciles de entender. Hay tres conceptos que hacen referencia a la precisión del medidor digital, estos son resolución, error constante y error proporcional. La resolución hace indicación al número de dígitos del display. Error constante es el error que 11

12 permanece constante para todo el rango de medidas del instrumento. Este error se suele expresar en función del número de dígitos o como un porcentaje de error del rango de medidas del aparato. El error proporcional es un error que es proporcional a la magnitud medida, es expresado en función del porcentaje de la magnitud leída. La mayoría de los fabricantes expresan la precisión del medidor como combinación de los errores constantes y proporcionales. Por ejemplo, tenemos un medidor de 4 dígitos y el fabricante da una especificación ±0,01 % de lectura y ±1 dígitos de precisión, si la lectura obtenida es de 5,000 V el máximo error es de 0,01% de 5 + 0,001 V o 0,0015 V. Otra característica que diferencia a los medidores digitales frente a los analógicos, es que la magnitud básica medida es la tensión, así pues, el medidor básico digital es el voltímetro. Otras especificaciones adicionales que suelen dar los fabricantes acerca de los voltímetros digitales son: Impedancia de entrada. Es la impedancia con la que carga el voltímetro al circuito de medida. Al contrario del voltímetro analógico es independiente de la escala. Velocidad de lectura. Es el número de veces por segundo que el voltímetro es capaz de leer la tensión (hay que recordar que el voltímetro tarda un cierto tiempo en leer digitalizar y presentar la información) Polímetros digitales Como hemos comentado, el medidor digital básico es un voltímetro, es decir, mide tensión (al contrario del medidor analógico). Es posible conseguir un amperímetro a partir de un voltímetro digital. Para ello basta introducir una resistencia R de valor conocido (figura 14). Figura 14 Medimos la caída de tensión en la resistencia y aplicando la ley de Ohm podemos conocer el valor de la corriente que circula por ella. Nos interesa que el valor de la resistencia sea lo menor posible a fin de disminuir el efecto de carga del amperímetro. 12

13 1.4 Utilización del amperímetro y el voltímetro. Hasta este momento hemos descrito el funcionamiento de estos aparatos, en este capitulo vamos a ver como se deben de emplear para realizar las medidas en un circuito Utilización del voltímetro El voltímetro mide la diferencia de potencial entre dos puntos, luego para utilizarlo deberemos colocarlo en paralelo con los puntos que queremos medir. Podemos ver esto en el ejemplo de la figura 15. Figura 15 En este ejemplo pretendemos medir la diferencia de tensión entre el punto B y el punto C, luego deberemos colocar el voltímetro en paralelo con dichos puntos. Parte de la corriente del circuito es desviada a través del voltímetro, lo que hace que la corriente que circula por la resistencia colocada entre los puntos B y C sea menor y, por consiguiente, la tensión que hay entre los puntos B, C con el voltímetro puesto será diferente a la que hay sin él, este efecto es lo que se conoce como efecto de carga del voltímetro. El voltímetro ideal es aquel que no toma corriente del circuito. Para que no circule corriente por un dispositivo habiendo una diferencia de tensión entre sus puntos es necesario que tenga una resistencia infinita, luego el voltímetro ideal se caracteriza por presentar una impedancia infinita. El voltímetro real precisa que la corriente que circule por él sea distinta de cero, lo que obliga a que su resistencia interna sea distinta de infinito. El voltímetro real lo podemos modelar como un voltímetro ideal con una resistencia en paralelo, esta resistencia se denomina resistencia interna o resistencia de carga del voltímetro. Figura 16 13

14 Colocar un voltímetro real para realizar una medida equivale a poner en paralelo, entre los puntos en los que queremos realizar la medida, una resistencia cuyo valor es el valor de la resistencia interna del voltímetro. Ejemplo En el circuito de la figura 17 calcular el error cometido al realizarla medida de la tensión entre los puntos A y B con el voltímetro de resistencia interna 1 MS. Figura 17 Si el voltímetro fuera ideal (no cargara el circuito) la tensión medida sería 10 V. Si embargo el voltímetro real introduce una resistencia de 1 MS. Luego la tensión medida sera: (14) El error cometido será (15) Utilización del amperímetro El amperímetro mide la corriente que circula por una rama, por lo tanto debe de colocarse en serie con la rama donde se desea medir la corriente, es decir, se introduce dentro de la rama donde se desea medir (figura 18). El amperímetro ideal mede la corriente manteniendo una diferencia de tensión cero entre sus bornas. Esto implica que el amperímetro ideal deberá tener una impedancia interna cero. Es decir, 14

15 el amperímetro se debe de comportar como un cortocircuito cuando es conectado al circuito de test, de esta forma, no introduce modificación en el circuito. Figura 18 En la realidad, el amperímetro presenta siempre una pequeña resistencia interna, debida a los elementos utilizados en la construcción del amperímetro. El amperímetro real se puede modelar como un amperímetro ideal más una pequeña resistencia en serie que representa la resistencia interna (figura 19). Figura 19 Cuando colocamos un amperímetro real para realizar una medida corresponde a colocar una resistencia en serie en el punto donde hemos situado al amperímetro. Ejemplo Calcular el error cometido al medir la corriente con un amperímetro con una resistencia interna de 100 S en el circuito de la figura 20 A. Figura 20 15

16 La corriente que circula por la resistencia sin tener puesto el amperímetro será: En la figura 20 B podemos ver como queda el circuito después de colocar el amperímetro real. En este caso la corriente medida será. (16) (17) Utilización del amperímetro como voltímetro Es posible utilizar un amperímetro para medir tensiones. De hecho, como hemos comentado anteriormente, los voltímetros analógicos están construidos a partir de un amperímetro. En la figura 21 podemos ver el esquema, donde a un amperímetro se le ha añadido una resistencia en serie de valor conocido. Figura 21 Si el amperímetro posee una resistencia interna R i, aplicandola ley de Ohm la relación entre la tensión V M y la corriente I medida por el amperímetro vendrá dada por la ecuación Utilización del voltímetro como amperímetro (18) Un voltímetro puede ser utilizado para medir corrientes. Para ello colocamos una resistencia R P en paralelo con el voltímetro. En la figura 22 podemos ver el esquema. Si el voltímetro posee una resistencia interna R i la resistencia interna total será: (19) 16

17 y la relación entre tensión y corriente será: (20) Figura 22 17

18 1.5 El Óhmetro Un óhmetro es un dispositivo que mide la resistencia que existe entre las dos bornas del instrumento. Existen varios métodos para medir una resistencia, pero todos ellos precisan una fuente que proporciona un estímulo (tensión y corriente) necesario para realizar la medida. Este estímulo proporciona una polaridad, que debe de tenerse en cuenta a la hora de medir componentes con resistencia asimétrica, ya que la medida será distinta según se coloquen las bornas. La fuente interna del óhmetro permite realizar la medida de un dispositivo sin necesidad de que este forme parte de un circuito, pero a su vez obliga a desconectar a los componentes de los circuitos donde éstos se encuentran montados para que las tensiones y corrientes presentes en los circuitos no interfieran con la medida. Los óhmetros miden la impedancia en modo DC (corriente continua). Intentar medir una impedancia AC es inexacto como por ejemplo intentar medir la impedancia de un altavoz, ya que esta impedancia esta expresada para tensiones AC y al intentar medirla con un óhmetro lo que se medirá será la impedancia de la bobina (muy cercana a 0 S). El óhmetro mide la resistencia de todo lo que exista entre sus bornas, así pues hay que tener cuidado al realizar la medida pues si se tocan con los dedos estaremos midiendo el valor de la resistencia del componente en paralelo con la resistencia que presenta el cuerpo humano, o si estamos midiendo un componente dentro de un circuito estaremos midiendo toda la resistencia paralelo de todos los componentes conectados entre esos dos puntos. El método más inmediato para medir una resistencia es el que se conoce como método voltímetro-amperímetro y consiste en utilizar una fuente con un voltímetro y un amperímetro (figura 23). Figura 23 El valor de la resistencia a medir R X se obtiene aplicando la ley de Ohm dividiendo la tensión medida por el voltímetro por la corriente medida por el amperímetro. Si el voltímetro y el amperímetro fueran ideales los circuitos A y B serían equivalentes, debido al efecto de carga de los aparatos el montaje A es preferible para valores de R X mucho menores que la resistencia de carga del voltímetro y el montaje B para valores de R X mucho mayores que la resistencia de entrada del amperímetro. Otro método de medir resistencia es el óhmetro serie, este esquema lo podemos ver en la figura 24 y es el utilizado por los polímetros analógicos. 18

19 Figura 24 Los valores de R S y V S son conocidos, luego la corriente que circula por la resistencia R X será El valor de R S depende de la escala de medida. Observese que el valor I X no es directamente proporcional a la resistencia R X. Este tipo de óhmetro precisa un ajuste de cero en cada escala antes de realizar la medida. Este ajuste se realiza cortocircuitando las bornas de entrada y ajustando el valor de R S para que la aguja coincida con el cero de la escala. En este caso El cero de la escala del óhmetro corresponde a la máxima deflexión de la aguja del galvanómetro, es decir, a la corriente a fondo de escala del galvanómetro. Al conectar una resistencia R X la deflexión D = I X /I fe será: (21) (22) (23) y la escala del óhmetro tendrá una apariencia similar a la figura 25. Figura 25 19

20 Otro método utilizado para medir resistencias es el método de la fuente de corriente. Este método, cuyo esquema podemos ver en la figura 26, es utilizado con los polímetros digitales. Utiliza una fuente de corriente constante cuyo valor depende de la escala. En este caso la tensión medida por el voltímetro es directamente proporcional a la resistencia V = I S R X. Figura 26 20

21 2 La fuente de alimentación 2.1 Introducción La misión de la fuente de alimentación es proporcionar la potencia, en forma de tensión y corriente, que los circuitos precisan para su funcionamiento. Diremos que una fuente es de tensión si mantiene una tensión constante entre sus bornas, independientemente de la corriente que suministra. De igual forma, diremos que una fuente es de corriente si suministra una corriente constante independientemente de la tensión que haya entre sus bornas. Las fuentes se pueden clasificar : Según el método utilizado para obtener la energía en: - Químicas (baterías y pilas). La tensión continua es obtenida a partir de reacciones químicas. - Electrónicas. La tensión continua se obtiene a partir de red eléctrica por medios electrónicos. Según el rango de la señal de salida de la fuente en: - Fijas. La señal a la salida es fija - Variables. La señal a la salida de la fuente se puede variar entre un cierto rango de valores. Según los métodos utilizados para disminuir la tensión de rizado en: - Reguladas. En ellas se aminora el efecto de rizado y las fluctuaciones mediante un circuito electrónico. - No reguladas. La fuente de alimentación utilizada habitualmente en un laboratorio de electrónica es electrónica, variable y regulada. En la figura 27 podemos ver el esquema de una fuente de alimentación electrónica regulada. Figura 27 21

22 2.2 Características de las fuentes de alimentación Las características de las fuentes de alimentación que se toman en cuenta para valorar la calidad de la fuente son: Margen de funcionamiento. Se denomina margen de funcionamiento al rango de tensiones y corrientes en los cuales la fuente se comporta como tal. El rango de tensiones será las tensiones comprendidas entre un valor mínimo y un valor máximo entre las cuales la fuente se comporta como fuente de corriente. Igualmente definimos como rango de corrientes a las corrientes comprendidas entre un valor máximo y un valor mínimo entre las cuales la fuente se comporta como una fuente de tensión. Los valores de tensión en una fuente ajustable se podrán regular entre un valor mínimo y un valor máximo de tensión, igualmente valores de corriente en una fuente de corriente ajustable se podrán regular entre un valor mínimo y un valor máximo de corriente. El valor mínimo de la corriente en una fuente de tensión es de 0 A (circuito abierto). Es normal que las fuentes reales presenten un comportamiento dual, es decir, entre ciertos limites se comporten como fuente de tensión y fuera de esos límites se comporten como fuente de corriente. Para explicar este concepto tomemos como ejemplo una batería de un coche, todas las baterías de los coches se comportan en principio como una fuente de tensión constante de 12 voltios, además, el fabricante de la batería indica otra característica y es el número de amperios que puede dar la batería (45, 55, 65 por dar algunos valores comerciales), esto quiere decir, que la batería se comportara como fuente de tensión siempre que la corriente suministrada por la fuente sea menor que el límite dado por el fabricante. Si por ejemplo colocamos una resistencia de 1 S entre las bornas de una batería de 55 A, la corriente suministrada por la batería será 12/1 = 12 A, si ahora colocamos una resistencia de 0.1 S la corriente que debería suministrar la batería para tener 12 V entre sus bornas debería de ser 12/0,1 = 120 A que es mayor que la corriente límite que es capaz de dar la batería, en este caso la batería se comportará como una fuente de corriente constante de 55 A y la tensión entre bornas de la batería será de 55 * 0,1 = 5,5 V. Este comportamiento lo podemos representar gráficamente (ilustraciones 28 y 29). En la figura 28 podemos ver el comportamiento de la tensión y la corriente en función de la resistencia puestas entre las bornas de la fuente, para R = 4 (circuito abierto) el valor de la corriente es cero. En la figura 29 a) podemos ver la relación I/V de una fuente de alimentación de laboratorio y en Figura 28 22

23 la figura 29 b) la misma relación para una batería, donde se aprecia una relación no lineal entre la tensión entre sus bornas y la corriente. En las fuentes de laboratorio normalmente pueden variar el valor de I lim entre un cierto rango de corrientes. Figura 29 Tensión de rizado. La tensión de rizado es la señal alterna, no deseada, que tiene superpuesta la señal continua de salida. La fuente será tanto mejor cuanto menor sea su tensión de rizado. El fabricante suele dar el valor de la componente de rizado en función del coeficiente de rizado que es la relación en % del valor eficaz de la señal alterna superpuesta y la señal continua a la salida. Definimos como factor de rizado a la relación entre el valor eficaz de la componente alterna a la salida partido el valor de la tensión continua a la salida. (24) Figura 30 Resistencia interna. Como toda fuente real las fuentes de alimentación presentan una resistencia interna, que podemos definir como los incrementos de tensión producidos sobre un valor de continua y las variaciones de corriente. 23

24 (25) Estabilidad. La tensión a la salida de la fuente debe de mantenerse constante en el tiempo. En realidad la tensión a la salida de la fuente puede variar debido a factores tales como la humedad, temperatura, alimentación de la red, etcétera. Regulación de carga. En una fuente de tensión se producen variaciones de la tensión de salida al variar la corriente de salida por variaciones en la impedancia de carga. La regulación de la fuente intenta es un sistema de realimentación que intenta minimizar este efecto. La regulación de carga se estudiará con más detalle en próximos cursos. Fuentes Simétricas. La mayoría de las fuentes de alimentación del laboratorio son en realidad fuentes dobles, es decir, hay dos fuentes en la misma carcasa. Estas fuentes pueden funcionar como fuentes independientes, cada una con sus propios mandos. Sin embargo, para ciertas aplicaciones es necesario tener dos tensiones con el mismo valor absoluto y polaridad diferente con respecto a una borna común. Este tipo de tensiones simétricas se suelen lograr con las fuentes de alimentación dobles funcionando en modo simétrico. En este caso tenemos dos fuentes montadas sobre el mismo chasis y conectadas internamente, de manera que, al variar la tensión de una de las fuentes la tensión de la otra fuente varia en la misma proporción. Otra utilidad de las fuentes simétricas es poder tener una fuente que alcance un voltaje mayor, por ejemplo, tenemos dos fuentes que pueden trabajar en modo simétrico y que alcanzan un voltaje máximo de 20 voltios cada una, si las combinamos, tendremos una única fuente que puede alcanzar un voltaje máximo de 40 voltios. 24

25 3 El osciloscopio 3.1 Introducción La función primaria del osciloscopio es la dibujar en una pantalla una replica exacta de la formar de onda del voltaje en función del tiempo. Esta representación gráfica de la forma de onda puede ser utilizada para obtener información cuantitativa de la señal (amplitud y frecuencia). El osciloscopio también puede ser utilizado para comparar dos señales diferentes y medir su relación de frecuencias y tiempos. El osciloscopio presenta mucha más información que la que proporcionan el resto de los instrumentos habituales de un laboratorio de medidas eléctricas, por ejemplo, con un osciloscopio podemos determinar que parte de una señal corresponde a su componente continua, a su parte alterna, a ruido etcétera. Los bloques funcionales básicos del osciloscopio los podemos ver en la figura 31. Figura 31 25

26 3.2 Sección de presentación El tubo de rayos catódicos El osciloscopio dibuja la gráfica proyectando y desplazando un haz de electrones sobre un recubrimiento fluorescente del interior del tubo de rayos catódicos. El tubo de rayos catódicos es básicamente una ampolla, donde se ha hecho un vacío elevado que posee en su interior un cayo de electrones que produce el haz de electrones que incide sobre la pantalla fluorescente y unos electrodos que permiten desviar el haz (figura 32). Figura 32 La desviación del haz de electrones es proporcional a la tensión aplicada a las placas horizontales y verticales Controles del cañon de electrones Entre los controles comunes se encuentran los de intensidad y enfoque; con menor frecuencia aparecen también los controles de localización y rotación de la traza. Enfoque. El haz de electrones es enfocado mediante una rejilla eléctrica en el interior del tubo, al variar la tensión sobre esta rejilla conseguimos enfocar el haz de electrones. El mecanismo de enfoque tiene un comportamiento análogo al mecanismo de enfoque de los sistemas ópticos (por ejemplo una lupa, la lente de cristal que al desplazarse permite enforcar un rayo luminoso en un punto más o menos estrecho), por ello al mecanismo de enfoque también se le denomina óptica electrostática. Figura 33 26

27 En la figura 33 podemos ver las tres posibilidades en el enfoque del haz, guardando la analogía con los sistemas ópticos, el primer dibujo corresponde a un sistema hipermétrope, el segundo sería un sistema miope, y el tercero un sistema correctamente enfocado. Intensidad. El control de intensidad ajusta el brillo de la traza, esto es necesario pues el osciloscopio puede ser utilizado en diferentes condiciones de luz ambiente y con muchas clases de señales. Por ejemplo, puede ser deseable cambiar la intensidad cuando se observan diferentes partes de las ondas cuadradas, ya que los componentes horizontales, más lentos, aparecerán siempre más brillantes que sus componentes verticales. Otra razón por lo que son útiles estos controles es porque la intensidad de la traza en la pantalla es función de la intensidad del haz de electrones y de la velocidad que tarda, este haz, en cruzar la pantalla. Al trabajar con diferentes velocidades de barrido varía el tiempo que tarda el haz en barrer la pantalla y por lo tanto el haz dispone de más o menos tiempo para excitar el recubrimiento fosforescente. El mecanismo de intensidad esta formado por una rejilla delante del cañon de electrones a la que se le somete a una tensión positiva. Figura 34 Conforme mayor sea la tensión positiva suministrada a esta rejilla menor será el flujo de electrones enviado a la pantalla y por lo tanto menor será la iluminación de la traza. Localizador del haz. El localizador del haz es un control que permite localizar el haz de electrones en cualquier momento en que se encuentre fuera de la pantalla. Cuando se acciona este control se reducen las tensiones de deflexión horizontal y vertical (de las que se hablará más adelante) y se elimina la acción del control de intensidad, de modo que el haz aparece siempre en el interior de la pantalla. Una vez visto el cuadrante de la pantalla en la que aparece el haz se sabe el sentido en el que se deben de desplazar los controles de posición para volver a llevar la traza al interior de la pantalla. Rotación de la traza. Permite alinear la deflexión horizontal de la traza con el retículo fijo La pantalla Hasta este momento hemos hablado acerca del tubo de rayos catódicos y de sus controles, ahora vamos a ver la pantalla. El funcionamiento de la pantalla es simple, esta está recubierta por una de sus caras por una película de material fosforescente, este material es excitado al incidir sobre él un haz de electrones, parte de la energía absorbida es convertida en luz, la cantidad de luz emitida es función de la energía cinética de los electrones y de la densidad del haz. El material fosforescente tiene una cierta persistencia, es decir, tarda un cierto tiempo en dejar de emitir luz una vez que este ha dejado de ser excitado por el haz. La parte de la pantalla que ve el usuario esta dividida pon un conjunto de lineas horizontales y verticales que se denominan retícula (figura 35). 27

28 Figura 35 Esta retícula permite estimar el valor de la tensión en un punto, ya que la desviación del haz es proporcional a la forma de onda de la señal a medir. 28

29 3.3 Sección vertical El sistema vertical le proporciona al sistema de presentación la información para el eje vertical (eje Y). El sistema vertical toma las tensiones de entrada y a partir de estas obtiene las tensiones de deflexión que son aplicadas a las placas horizontales del tubo de rayos catódicos. El sistema vertical también permite seleccionar la forma de conectar las señales de entrada (lo que se denomina acoplamiento). En la figura 36 podemos ver de forma esquemática las partes que componen la sección vertical. Figura Sistema de acoplamiento. La mayor parte de los osciloscopios disponen de un conmutador de tres posiciones (en la figura 37 podemos ver su representación esquemática) que permite seleccionar el modo de entrada al osciloscopio de las señales a medir. Figura 37 29

30 Como se puede ver en la figura hay tres modos de funcionamiento, estos modos son: Modo DC. La señal de entrada es aplicada directamente a los circuitos del sistema vertical sin ninguna modificación. Por lo tanto la señal se transmite íntegra, es decir, tanto su componente continua como su componente alterna. Modo AC. Se intercala un condensador de gran capacidad entre las bornas de entrada y los circuitos del sistema vertical, por lo que la componente continua de la señal es eliminada, dejando pasar solo la componente alterna. En general la impedancia presentada por este condensador es depreciable, teniendo importancia únicamente a bajas frecuencias, donde puede aparecer una frecuencia de corte inferior debido a este condensador, frecuencia de corte que desaparece al medir en modo DC. Modo GND. En este modo la señal a visualizar queda en circuito abierto, aplicandose una tensión de cero voltios a los circuitos del canal En la figura 38 podemos ver una misma señal de entrada vista en los tres modos. Figura Sistemas de atenuación y amplificación Los sistemas de amplificación y atenuación son un conjunto de circuitos que multiplican la señal aplicada a la entrada del osciloscopio por un factor " de modo que la señal aplicada a las placas de desviación sea "V. Este factor " puede ser variado del exterior mediante el mando de sensibilidad vertical. Este mando consta normalmente de dos ajustes, el primero tiene una variación discreta (a saltos) y esta calibrado en voltios/división estas divisiones hacen referencia a las divisiones que esta dividida la pantalla del osciloscopio. El segundo ajuste presenta una variación continua, con este mando podemos ajustar el factor de deflexión vertical entre cualquier valor comprendido entre dos valores discretos. Este mando de ajuste fino suele tener indicado una posición de calibrado (CAL), fuera de la posición de calibrado no conocemos el factor de deflexión, por lo que es imposible realizar medidas absolutas de tensiones, únicamente podremos realizar medidas relativas. Definimos como factor de deflexión vertical 30

31 F v a la relación existente entre la tensión aplicada a la entrada del canal horizontal del osciloscopio y la deflexión que se aprecia en la pantalla. (26) El factor de deflexión vertical estará relacionado con el factor de deflexión de las placas y con el factor ". (27) Es posible que el mando de sensibilidad vertical posea un magnificador vertical. Este mando amplifica la señal presentada en pantalla por un valor fijo, habitualmente 10, de forma que si el mando de sensibilidad vertical está puesto en la escala de 2V/div. y está conectado el magnificador vertical, el valor de la escala será en realidad de 0.2 V/div. Ejemplo Queremos determinar el valor de la amplitud de la señal de la figura, si el mando de sensibilidad vertical esta colocado en 2v/div y el ajuste continuo esta en la posición CAL. Podemos ver que la gráfica de la figura 39 tiene una amplitud de 2 divisiones principales más dos subdivisiones secundarias. Cada una de estas subdivisiones vale 0.2 luego la amplitud de la señal será de 2.4 divisiones. Puesto que cada división vale 2 voltios la amplitud de la señal introducida al osciloscopio será 2 x 2.4 = 4.8 voltios. Figura 39 Vamos a repetir el proceso suponiendo que está conectado el magnificador x10. En este caso la división vale 0.2 V/división luego la amplitud de la señal es 0.2 x 2.4 = 0.48 V Otro mando que actúa directamente sobre los circuitos del sistema vertical es el mando de posición vertical. Este mando permite situar la traza en la pantalla en el punto que se desee, es decir, permite mover por la pantalla el punto de referencia (la traza que vemos cuando el mando de acoplamiento de entrada esta en GND) para ello suma una tensión de valor constante a la señal que se presenta en pantalla, el valor de esta tensión es lo que se varía con el mando de posición vertical. 31

32 3.4 El sistema Horizontal Para trazar una gráfica, el osciloscopio necesita tanto de datos horizontales como verticales. El sistema horizontal del osciloscopio proporciona la segunda dimensión, entregando las tensiones deflectoras que desplazan horizontalmente el haz de electrones sobre la pantalla. Las partes básicas del sistema horizontal las podemos ver en la figura 40. Figura El generador de barrido La misión del generador de barrido es proporcionar una señal a las placas de deflexión horizontal, de tal manera que la señal vista en la pantalla del osciloscopio sea la representación de la señal introducida en el osciloscopio en función del tiempo. La señal que nos permite obtener esto debe de ser lineal, ya que al proyectar la señal de entrada del osciloscopio debemos de poder recuperar la señal original (figura 41). Figura 41 32

33 Así pues, el generador de barrido debe de proporcionarnos algún tipo de señal que presente una variación lineal. Este tipo de señal con variación lineal que nos proporciona el generador de barrido se denomina señal en diente de sierra (figura 42) Figura 42 Como podemos ver, en cada periodo de la señal en dientes de sierra distinguimos tres partes, la porción ascendente de la onda se denomina rampa y es cuando el osciloscopio pinta en pantalla la señal a visualizar, la parte descendente se denomina retraza, y es cuando se produce el retorno del haz de electrones desde el final de la pantalla (parte derecha) al principio de la pantalla (no hay que olvidar que el haz se comporta en cierta manera como un lápiz, por lo que una vez que ha terminado ha de volver al principio otra vez para seguir pintando), durante el periodo de retención no se realiza ninguna acción, permaneciendo el osciloscopio en espera. Figura 43 La relación entre distancia y tiempo en el eje X se puede controlar cambiando la pendiente de la rampa (figura 44). En esta figura podemos ver que al utilizar una señal de diente de sierra con distinta pendiente la señal visualizada en la pantalla del osciloscopio es distinta, se ha cambiando, pues, la escala de presentación del eje X en la pantalla (el valor de las divisiones es distinto). El valor de la pendiente lo podemos fijar desde el exterior mediante el mando de la base de tiempos. En el selector se indica la relación en tiempo/división. Al igual que el mando de sensibilidad vertical, el mando de la base de tiempos es un mando doble, donde uno de los mandos tiene un ajuste discreto (con una escala calibrada) y el otro mando tiene un ajuste continuo. Los valores de escala que indica la base de tiempos solo son correctos si se trabaja en la posición calibrada. La selección del modo calibrado se realiza con el mando de ajuste fino, llevando este control a la posición de calibrado, en caso contrario no se conoce de forma exacta 33

34 cual es la relación entre distancia y tiempo. El desplazamiento en el eje X es lo que se denomina barrido. Figura 44 Además del mando de la base de tiempos, otros controles que actúan directamente sobre el generador de barrido son el mando de posición, que permite desplazar la señal horizontalmente en pantalla y el magnificador horizontal que amplia la escala de presentación horizontal por un valor fijo. Para poder ver una señal estable en pantalla, deberemos pintar la señal en pantalla unas 25 veces por segundo, por ello deberemos repetir el trazado del haz por pantalla al menos 25 veces por segundo, para evitar que la luminosidad del material fosforescente decaiga más rápido que el ojo es capaz de integrar. Si se realiza el recorrido en pantalla con una velocidad menor se producirá un parpadeo en la imagen. Este efecto produce una de las limitación en el osciloscopio analógico, y es que las únicas formas de onda que podemos visualizar deben de ser periódicas El sistema de disparo El sistema horizontal proporciona la base de tiempos, sin embargo, es necesario saber cuando se Figura 45 34

35 debe de comenzar a dibujar la traza y cuando no. Para tener una señal estable en pantalla, la pendiente de la señal de dientes de sierra debe de empezar en el mismo punto (figura 45-a). Si la rampa de la señal en dientes de sierra no empieza siempre en el mismo punto de la señala visualizar (puntos señalados por las flechas en la figura 45-b), la señal visualizada en la pantalla del osciloscopio no será estable. El sistema encargado de determinar el cuando se dispara la rampa son los circuitos del sistema de disparo. Figura 46 En la figura 46 podemos ver el esquema del sistema de disparo y en la figura 47 podemos ver las señales a la salida de cada una de las etapas. Figura 47 35

36 El amplificador diferencial, que encuentra la señal a la entrada del circuito de sincronismo, tiene como misión determinar el punto de la señal de entrada en el cual se debe generar la señal de barrido (figura 48). El cometido de este circuito es establecer una señal de referencia continua de valor V o voltios. Cuando la señal de entrada es igual a la tensión de referencia se manda una indicación. El valor de la señal continua de referencia se conoce como nivel de disparo. Este nivel se ajusta mediante un potenciómetro accesible desde la parte frontal del osciloscopio. También es posible cambiar la pendiente con la que disparamos la rampa (pendiente de subida Figura 48 o pendiente de bajada) mediante un conmutador. El schmitt-trigger es un circuito electrónico que tiene como misión transformar la señal de salida del diferencial en una señal cuadrada con flanco de bajada en el punto de disparo seleccionado. Esta señal cuadrada es diferenciada, obteniendo impulsos positivos y negativos en los flancos de subida y bajada de la señal cuadrada. Los impulsos positivos son eliminados quedando únicamente los pulsos negativos, que harán disparar al generador de dientes de sierra. De esta manera se consigue que el periodo de la señal de dientes de sierra sea un múltiplo o submúltiplo del periodo de la señal de entrada del osciloscopio, con lo que la señal visualizada en la pantalla del osciloscopio es estable Fuentes de sincronismo Como se ha visto anteriormente, es necesario una señal que actúe como fuente de sincronismo, es decir, es necesario una señal patrón de sincronismo. Normalmente se toma como fuente de sincronismo la señal de entrada al osciloscopio. En los osciloscopios de doble canal tenemos dos posibles fuentes de sincronismo, una por cada canal. Es posible conmutar de una a otra de las dos fuentes de sincronismo mediante un conmutador exterior y de esta forma seleccionar la señal que más interese para realizar la medida. Además de poder utilizar cualquiera de los dos canales de 36