Osciloscopio. Primeros pasos

Transcripción

1 Osciloscopio. Primeros pasos Objetivos Conocer el funcionamiento básico de un osciloscopio analógico. Aprender a medir amplitudes y periodos en un osciloscopio. Introducción. Los osciloscopios son de gran utilidad en el análisis de circuitos. Permiten el estudio de tensiones variables con el tiempo, y de forma indirecta, de otras magnitudes relacionadas con la tensión. Así, por ejemplo, la intensidad eléctrica se puede conocer sin más que estudiar la tensión entre los bornes de una resistencia por la que circule, ya que ésta será proporcional a la tensión estudiada. De forma análoga se puede analizar otras variables como la intensidad luminosa, temperatura, presión de una onda sonora, etc. Los osciloscopios analógicos tienen un tubo de rayos catódicos que consta de tres partes fundamentales encerradas en un tubo de vidrio y con un vacío elevado: 1) Cañón de electrones. 2) Dispositivo de desviación de electrones. 3) Pantalla. En la figura se representa esquemáticamente sus elementos principales. 1.- Cañón de electrones: Básicamente consta de tres dispositivos: a) un filamento F que calienta el cátodo C para que emita electrones, b) un ánodo A, conectado a potencial positivo con respecto a C, que acelera los electrones, actuando al mismo tiempo de diafragma, dando lugar al estrecho haz de electrones O O, y c) el llamado cilindro Whenelt o cilindro rejilla W que está a potencial negativo con respecto a C y cuya misión es regular la intensidad del haz. 2.- Dispositivo de desviación de electrones: está formado por dos pares de placas PH y PV. El primer par PH crea un campo eléctrico E horizontal y el segundo PV otro vertical, lo que permite desviar el haz de electrones en ambos sentidos. (En algunos osciloscopios se usa un procedimiento de desviación magnética). La desviación puede ser prácticamente proporcional a la tensión aplicada a las placas deflectoras. Con los dos pares de placas el punto puede desviarse a cualquier punto de la pantalla.

2 3.- Pantalla: El interior de la parte frontal del tubo P está recubierto por una sustancia fluorescente que se ilumina cuando inciden sobre ella los electrones, lo que constituye la pantalla del osciloscopio. La respuesta de los electrones a las tensiones aplicadas es muy rápida de modo que el ojo humano no podría seguir el movimiento de los mismos. Para evitar este problema se utiliza simultáneamente los dos pares de placas deflectoras de la forma siguiente: el voltaje que se quiere observar se aplica a las placas deflectoras verticales y simultáneamente a las placas deflectoras horizontales se aplica un voltaje que aumenta uniformemente con el tiempo, así el punto dibuja un gráfico de V en función de t, siendo la desviación vertical del haz proporcional a V(t) y la horizontal al tiempo. Para observar una onda de forma periódica el voltaje deflector horizontal debe variar con la misma frecuencia que el voltaje a observar, de esta forma el haz barre la pantalla durante un ciclo, saltando rápidamente al principio de la misma para barrerla de nuevo en el ciclo siguiente. De este modo cada ciclo del voltaje se traza una y otra vez. La forma de onda del voltaje aplicado a la deflexión horizontal se muestra en la figura; su aspecto hace que reciba el nombre de tensión en diente de sierra. En el TRC recibe también el nombre de tensión de barrido lineal o base de tiempos lineal.

3 Práctica 1: Osciloscopio analógico El panel frontal consta de dos áreas, la pantalla a la izquierda y el panel de control a la derecha: MANDOS DEL OSCILOSCOPIO: 1.- POWER. Interruptor. 2.- Intens. Intensidad. 3.- Foco. Focalizador. 4.- XY. Introduce la señal del canal I en el eje vertical y la del canal II en el eje horizontal. 5.- TIME. Base de tiempos. Regula la escala de tiempos o del eje horizontal. 6.- X-Mag. Aumenta la escala X en una relación 10: YPos I. Posición vertical del canal I. 8.- Ent. I. Conector de entrada de señal al canal I. 9.- DC/AC/GD. Selección según se trabaje en corriente alterna (AC) o continua (DC) en el canal I. La posición GD conecta el canal I a tierra permitiendo el ajuste del cero V/DIV I. Selector de escala en V/div del canal I Inv. I. Invierte la señal del canal I CH I/II. Con el botón hacia fuera el trigger o señal de disparo afecta a la señal del canal I y si está presionado hacia dentro el trigger afecta a la señal del canal II Dual. Representa las señales de ambos canales simultáneamente Add. Pulsada: Suma de los canales I y II Inv. II. Invierte la señal del canal II V/DIV II. Selector de escala en V/div del canal II Ent. II. Conector de entrada de señal al canal II DC/AC/GD. Selección según se trabaje en corriente alterna (AC) o continua (DC) en el canal II. La posición GD conecta el canal I a tierra permitiendo el ajuste del cero YPos II. Posición vertical del canal II.

4 NOTA: debes de tener mucho cuidado de no dejar un punto fijo en la pantalla del osciloscopio, ya que ésta podría dañarse. a) Medida de amplitudes: 1. Se conecta la señal que se desee medir al canal 1 (conector 8 en la figura). 1. Se pulsa el interruptor power (1). 2. Se ajusta la intensidad luminosa mediante el mando de intensidad (2) y se focaliza la señal mediante el focalizador (3). 3. Se sitúa el mando (9) en GD (tierra = ground), con lo cual el osciloscopio muestra una señal constante de 0 V, que se debe centrar en la pantalla mediante los mandos de posición Y (7). 4. Se sitúa el mando (9) en AC para señales alternas, y se ajusta el factor de escala vertical con el mando de amplitudes del canal 1 (10). 5. La amplitud será la medida desde el eje horizontal en 0 V hasta la altura máxima y se calcula en función del factor de escala (en V/div) del mando de amplitudes (10). Si se desea visualizar dos señales, se conecta la segunda señal al canal 2 (17) y tras conectar el botón dual (13) se procede de forma similar, utilizando ahora los mandos correspondientes al canal 2. b) Medida del período de una señal: El período es el tiempo que tarda en repetirse la señal (T en la figura siguiente). Para calcularlo se multiplica la longitud medida en la pantalla del osciloscopio por el factor de escala de la base de tiempos (conector 5 en la figura anterior). En la figura siguiente se muestra un ejemplo de la medida de la amplitud y periodo de una señal. c) Determinación de la frecuencia y pulsación: La frecuencia de una señal se define como la inversa del período: f = 1/T. La pulsación se define como 2π multiplicado por la frecuencia: ω = 2π f.

5 Práctica 2: Osciloscopio analógico. Medida Osciloscopio analógico Generador de funciones Resistencia de 22 Ω Condensador de 4,4 µf Caja de conexiones Cables 1. PRIMERA TOMA DE CONTACTO CON EL OSCILOSCOPIO Recuerda que debes de tener mucho cuidado de no dejar un punto fijo en la pantalla del osciloscopio, ya que ésta podría dañarse. Ajusta el valor 0 del canal I y el canal II del osciloscopio al centro de la pantalla. Gira el mando de la base de tiempos del osciloscopio a la posición de barrido más lento. Conecta directamente el generador de funciones al canal I del osciloscopio mediante un cable. Utilizando los mandos del generador programa una señal sinusoidal de 1Hz de frecuencia. Sobre la pantalla observarás la señal sinusoidal sobre la pantalla. Mediante el mando del amplificador del canal I del osciloscopio podrás hacer más grande o menor la representación sobre la pantalla. Ves aumentando la frecuencia de la señal del generador. Aumenta la velocidad de barrido horizontal del osciloscopio mediante el mando de la base de tiempos. Juega con las frecuencias y amplitudes de la señal del generador, buscando en el osciloscopio la representación gráfica más completa mediante el mando del amplificador y el de la base de tiempos. 1. Selecciona en el generador una señal de 2000Hz y amplitud 2V. Mide con el osciloscopio la frecuencia y amplitud de la señal, y estima el error que se comete. Observa y comenta la precisión de la medida realizada. 2. MEDIDAS DE AMPLITUDES, FRECUENCIAS Y DESFASES MEDIANTE EL OSCILOSCOPIO Monta el circuito de la figura (constituido por una resistencia de 22 Ω y un condensador de 4,4 µf conectados en serie), teniendo en cuenta que las conexiones a tierra del generador de funciones y de los canales I y II del osciloscopio deben coincidir (normalmente en los cables coaxiales se utiliza la banana de color negro para indicar la salida conectada a tierra). De este modo, el canal I del osciloscopio visualiza la tensión proporcionada por el generador, y el canal II, la tensión en la resistencia. 2. Mide la amplitud y el período de ambas señales (si es necesario, consulta la ayuda del osciloscopio). Calcula la frecuencia, y pulsación de ambas señales (recuerda como se determinan a partir del periodo).

6 Práctica 3: El osciloscopio, medida de corrientes variables INTRODUCCIÓN Hasta este momento, hemos estado trabajando con corriente continua, esto es, una corriente eléctrica que se caracteriza por una intensidad constante en el tiempo, y por lo tanto, por una diferencia de potencial, entre dos puntos cualesquiera, que también lo es. Sin embargo, en numerosas ocasiones nos encontraremos con señales sinusoidales (corriente alterna ) y señales cuadradas, entre otras. En las señales sinusoidales la intensidad sigue una expresión dependiente del tiempo y de la forma i(t)=i max cos(ω t+ φ i ), y por lo tanto la tensión tendrá una expresión similar: V(t)=V max cos(ωt+ φ u ). Aparecen tres parámetros: la intensidad o la tensión máxima o amplitud de la señal ( I m o V m), la pulsación (ω) y la fase inicial ( φ i o φ u ). En la figura se muestra la curva correspondiente a la función sinusoidal, así como los parámetros de la misma. Así, si somos capaces de representar la señal tal como aparece en la figura, la medida de la tensión máxima es inmediata, mientras que la pulsación la podemos conocer a partir de la medida del periodo, T: conocido el periodo (en segundos), su inversa en la frecuencia en herzios (f= 1/T) y la pulsación se calcula a partir de la expresión ω=2πf, siendo su unidad el radián. Si bien La medida de la fase inicial se realizaría fácilmente sin más que operar φ=ωt 0 y teniendo en cuenta que es positiva cuando el máximo se encuentra a la izquierda del eje de ordenadas, si tenemos una única curva, dado que el origen de tiempos es arbitrario, lo más cómodo es hacerlo coincidir con el máximo de la señal y, por lo tanto, fijar en φ =0 la fase inicial. Podemos representar una diferencia de potencial alterna, haciendo uso del osciloscopio. El osciloscopio es un voltímetro que mide la variación con el tiempo de la diferencia de potencial entre dos puntos. Tiene la posibilidad de medir dos señales de forma simultánea. En el enlace osciloscopio se explican las nociones básicas sobre el funcionamiento interno del osciloscopio, y se dan instrucciones sobre la utilización del osciloscopio analógico Hameg. En esta práctica vamos a hacer uso del osciloscopio virtual. En este enlace podéis encontrar un manual para aprender su funcionamiento. En resumen, para su correcto uso e instalación hay que tener en cuenta lo siguiente: Al iniciar la medida, todos lo pulsadores han de estar hacia fuera y los botones centrales de los mandos de amplitud y de base de tiempos en su punto de calibración. La conexión del circuito con el osciloscopio se realiza ha través de un cable llamado BNCbananas. Las dos bananas se conectan a los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. Hay que tener en cuenta que la banana negra, se corresponde con la malla del cable que se une eléctricamente a la masa carcasa del aparato y, por lo tanto, a tierra a través de la conexión externa de la BNC: por lo tanto, la banana negra está conectada a la tierra del laboratorio y este dato hay que tenerlo en cuenta dado que un circuito eléctrico sólo debería tener un nudo conectado a tierra. En caso contrario se produce un cortocircuito entre los nudos conectados a tierra.

7 Para obtener una señal sinusoidal haremos uso del generador de señales, cuyo funcionamiento está explicado en el enlace generador de funciones. En esta práctica vamos a realizar circuitos de corriente alterna mediante el programa laboratorio virtual. Puedes encontrar información sobre el funcionamiento del programa en el enlace "ayuda laboratorio virtual". CUESTIÓN 1. Realiza el circuito de la figura, consistente en un generador de señales, un condensador de 4,4 µf y una resistencia de 120 Ω, puestas en serie. Medirás la señal que introduce el generador (la tensión sinusoidal) con un osciloscopio analógico. Para ello conectaremos el canal 1 del osciloscopio entre los terminales del generador: (Observa que el generador también se une al circuito con un cable BNC-bananas y que la banana negra está unida a la tierra del laboratorio a través del generador: luego ambas bananas negras deben estar unidas al mismo punto del circuito. Este punto se ha expresado con el símbolo de tierra en la figura). A la derecha tienes una imagen más real del circuito que has de montar. Selecciona en el generador la opción sinusoidal y fija en el generador de señales una frecuencia de 800 Hz y una amplitud de 2 V. Para ajusta la amplitud del generador, mídela con el osciloscopio antes de montar el circuito. Una vez montado el circuito mide en el osciloscopio ambos valores y compáralos con los solicitados: El osciloscopio, trabajando en forma dual, nos permite visualizar ambas señales de forma simultánea y en tiempo real. De esta forma podemos, además de medir cada una de las señales conocer el desfase entre ambas. Dado que el osciloscopio mide diferencias de potencial, para conocer la intensidad que circula bastará con medir la diferencia de potencial entre los extremos de una resistencia conocida, para a continuación aplicar la ley de Ohm. Si en la medida anterior hemos medido la tensión de entrada al circuito con el canal 1, si conectamos el canal 2 en bornes de la resistencia podremos conocer la intensidad que circula por el mismo. Sin desmontar el circuito anterior, conectaremos el canal dos del osciloscopio entre los terminales de la resistencia: Tened en cuenta que la banana negra del cable conectado al canal 2 está conectada a su vez a la masa del aparato y a la tierra del circuito, por lo que se debe conectar al mismo punto en el que se han conectado el resto de bananas negras, esto es, a la tierra del circuito.

8 Hasta aquí has estudiado cada tensión por separado. Pero si las representas juntas (modo dual) verás que una aparece retrasada respecto de la otra: existe un desfase entre ambas, dado que las fases iniciales de ambas señales son diferentes. Para poder conocer el comportamiento del circuito es muy importante medir este desfase. Tendremos dos formas para hacerlo. La utilización de un método u otro vendrá dada por la mayor precisión en la medida o por la mayor rapidez. Una primera forma de medida del desfase será a partir de la representación de ambas señales juntas. Para ello debes poner el osciloscopio en forma dual: aparecerán en pantalla ambas señales en un mismo eje de tiempos. Supongamos que las curvas medidas en el cana1 y en el canal 2 son las de la figura: La separación entre los máximos de ambas señales se corresponde con el valor φ/ω. Este valor es igual a la distancia, en segundos, que separa los puntos homólogos de ambas curvas en su corte con el eje de abscisas: d. Por otra parte el periodo de la señal se corresponde con la distancia D, medida en segundos. Luego: Podemos calcular fácilmente el valor del desfase sin más que medir las distancias d y D, que pueden medirse tanto en segundos como en centímetros, dado que la relación entre ambas es un número adimensional. Falta conocer el signo de dicho desfase. En la figura, el máximo del canal 1 coincide con el origen de tiempos, luego φ 1 = 0, y la fase del canal 2 aparece a la izquierda del origen de tiempo, luego φ 2 > 0: El desfase en mayor que cero, φ=φ 2-φ 1 >0. Diremos que la señal del canal 2 está adelantada respecto la señal del canal 1, dado que su máximo aparece a tiempo menores. Otra forma de cálculo se realiza a partir de las figuras de Lissajous. Éstas aparecen en la pantalla del osciloscopio al representar en el eje de ordenadas la señal del canal 1 y en el de abscisas la señal del canal 2. Para ello, teniendo seleccionada la señal del canal 1 en la forma normal, se presiona la tecla x-y. Aparecerá en pantalla una elipse inclinada cuya anchura dependerá del valor del desfase entre ambas señales. Una vez centrada la elipse con los ejes de referencia, se puede demostrar que el desfase se puede calcular a partir de la expresión: donde D y d son las distancias señaladas en la figura.