UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Electrotecnia y Computación Programa de Excelencia Académica

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Electrotecnia y Computación Programa de Excelencia Académica Introducción a los Equipos Medición y Uso de los Laboratorios Managua, Junio 2007 Elaborado por: Ing. María Teresa Rodríguez S 1

2 EQUIPOS DE MEDICIÓN (Sesión 1) 1. Objetivo Caracterizar amperímetros, voltímetros, óhmetros, y multímetro. 2. Marco Teórico Medición es la determinación, del valor numérico de una magnitud física, la cual se lleva a cabo empleando métodos experimentales, con la asistencia de equipos técnicos. En cuanto a electricidad se refiere existen diferente magnitudes entre ellas encontramos como la corriente eléctrica, voltaje, resistencia. Además de que existen diferentes dos las variables de corriente y voltaje las podemos encontrar en formas dos formas directa o continua (señales DC) y alterna (señales AC). De acuerdo al sistema internacional las mediciones de corriente se realizan empleando la unidad de amperios(a). Las de voltaje se realizan en Voltios (V). Las de resistencia se realizan en Ohm (Ω). Los equipos de medición se encuentran en diferentes presentaciones como pueden ser solo equipos para realizar mediciones de una magnitud determinada, pueden encontrarse en presentaciones analógicas y digitales, o también pueden ser multifuncionales. Cada equipo consta de diferentes escalas de medición con las cuales se determina la medida más exacta, de acuerdo a lectura del equipo. El ajuste de la escala cuando se desconoce el valor a medir ha de realizarse colocando el instrumento en la mayor escala y luego bajar a la escala que se adecue, con la finalidad de lograr la medición con menos error, y este procedimiento protege el equipo a emplear. Además de seleccionar la escala hay que seleccionar si la señal con la que se trabaja es AC o DC para proceder a realizar las mediciones. Amperímetro: realiza la medición de corriente, la misma se realiza colocando una conexión en serie con la rama en la cual se desea determinar la corriente. La conexión ha de ser como se muestra continuación: Voltímetro: realiza la medición de voltaje, la misma se realiza colocando una conexión en paralelo con los elementos en los cuales se desea determinar el voltaje. La conexión ha de ser como se muestra continuación: Óhmetro: realiza la medición de la resistencia, la misma se realiza colocando una conexión en paralelo con los elementos en los cuales se desea determinar su magnitud. Es importante resaltar que la medición de la resistencia debe hacerse con el circuito sin energía ya que si se realiza energizado el equipo puede sufrir daños, además de realizar la desconexión del elemento al cual se le desea realizar la medición en vista de que de no hacerlo se estaría midiendo la resistencia equivalente entre esos puntos. La conexión ha de ser como se muestra continuación: R 2

3 Los elementos de medición de voltaje y corriente necesitan una fuente externa de alimentación en le circuito para poder realizar una medición, sin embargo, el óhmetro puede ser empleado para realizar mediciones sin necesidad de fuentes de alimentación externas sólo el equipo y el elemento que se desea medir. Multímetro: este dispositivo realiza la medición de las variables mencionadas a continuación en conjunto con algunas extras que son más especializadas dependiendo de las características establecidas por el fabricante. La diferencia principal es que en además de seleccionar la escala se define la función que realizará la medida, así bien las conexiones del equipo se realizan de acuerdo a su función, como se explicó con anterioridad. 3.- PARTE EXPERIMENTAL Identificación, uso y características de los diferentes equipos de medida que se emplearan: 3.1. Multímetro Digital a) Observe con detenimiento el equipo en su mesa de trabajo y tome nota de: interruptor de encendido 2. selector de función 3. selector de escala 4. indicador de medición 5. conexiones para las diferente funciones Especificaciones del equipo: Puntos de conexión: Magnitudes que mide el instrumento: Escalas por variables: b) Ajuste el instrumento por medio del selector en óhmetro y mida tres resistencias de carbón.( antes de realizar esto verifique su valor con el código de colores) RX1 = RX2 = RX3 = Nota: Con el fin de obtener buenas mediciones, varíe el selector de rango hasta obtener la mejor precisión posible. c) Tome la resistencia variable que y determine: Cuales de sus terminales son fijos: Cuales son variables: Cuantos hay de cada tipo: Cual es el valor máximo de la resistencia: Nota: Explicación práctica de la tabla de nodos. Realización de conexiones serie paralelo y medición en la misma. 3

4 1. Objetivo FUENTE DE PODER (Sesión 2) Estudiar la fuente de poder. Comprobar experimentalmente ley de Ohm y las leyes de Kirchoff. En corriente directa. 2. Marco Teórico Fuente de poder es aquel dispositivo que proporciona energía eléctrica, la característica primordial de la misma es que la energía proporcionada es una señal DC, lo que significa que una vez ajustado el valor la misma permanece invariable en le tiempo. Por lo general está señal se logra empleando una serie de dispositivos electrónicos para convertir la señal AC que proporciona la red de alimentación energética en esa señal estática. Existen en le mercado de valores fijos, que tienen un propósito específico, como las de alimentación de PC s que tiene una serie de valores fijos para energizar los diferentes dispositivos involucrados en el funcionamiento de la misma, y variable que se adecuan a las necesidades que se tengan. Una característica importante de estas fuentes es la potencia máxima de salida que es la que determina el valor resistivo que se puede conectar sin que se efectúen daños al equipo. La fuente ajustable cuenta por lo general con un indicador del nivel de voltaje, es decir, un voltímetro incluido que nos indica el voltaje de la misma, además de los terminales de conexión y la perilla de ajuste del voltaje. Para realizar la parte experimental es necesario que el participante enuncie las siguientes leyes: Ley de Ohm: 1era Ley de Kirchoff: 2da Ley de Kirchoff: 3. Parte Experimental 3.1 Fuente de Poder Observe con detenimiento el equipo mostrado en su mesa de trabajo y tome nota de: Interruptor de encendido. 2. Indicador de corriente 3. indicador de voltaje 4. ajuste fino de la corriente 5. ajuste de la corriente 6. salida de voltaje o tensión 7. ajuste fino del volta 8. ajuste del voltaje Especificaciones del equipo: Puntos de conexión: Medidores y perillas: 3.2 Utilización de la fuente DC como fuente de voltaje o tensión. a) Encienda la fuente y mueve la perilla de voltaje asegurándose que el medidor de voltaje (V) mueva su indicador. b) Varíe la perilla de ajuste fino (fine). Anote sus observaciones. 4

5 c) Apague la fuente d) Ahora realice el mismo procedimiento pero conecte a la salida de la fuente el multímetro empleado como voltímetro. Anote sus observaciones. c) Apague la fuente 3.3 Comprobación Experimental de la Ley de Ohm: Monte el circuito que se muestra a continuación: Mida el Valor de I, colocando el amperímetro en el nodo A, entre la resistencia y la fuente. I= Proceda a medir el voltaje de R1, R2 y R3 V1= V2= V3= Ahora por ley de Ohm calcule el valor de R1, R2 y R3 R1= R2= R3= Halle de acuerdo al código de colores el valor de R1, R2 y R3 R1= R2= R3= Determine empleando el Ohmetro el Valor de R1. R1= R2= R3= Concluya sobre los tres resultados: 3.4 Comprobación de la primera Ley de Kirchoff o Ley de las Corrientes. Realice el montaje que se muestra continuación 5

6 Proceda a medir la corriente en cada una de las resistencias I1= Mida I2 I2= Determine I3 I3= Ahora realice la suma de I1 e I2 I1+I2= Concluya: se cumple la ley de Kirchoff? 3.5 Comprobación de la segunda Ley de Kirchoff o Ley de los Voltajes. Realice el montaje que se muestra continuación Proceda a medir el voltaje en cada una de las resisitencias: V1= Mida V2 V2= Determine V3 V3= Ahora realice la suma de V1 e V2 V1+V2= Concluya: se cumple la ley de Kirchoff? 6

7 OSCILOSCOPIO (Sesión 3) 1. OBJETIVO Caracterizar el Osciloscopio 2. MARCO TEÓRICO El osciloscopio es un instrumento que permite visualizar fenómenos transitorios así como formas de ondas en circuitos eléctricos y electrónicos. Por ejemplo en el caso de los televisores, las formas de las ondas encontradas de los distintos puntos de los circuitos están bien definidas, y mediante su análisis podemos diagnosticar con facilidad cuáles son los problemas del funcionamiento. El funcionamiento del osciloscopio está basado en la posibilidad de desviar un haz de electrones por medio de la creación de campos eléctricos y magnéticos. En la mayoría de osciloscopios, la desviación electrónica, llamada deflexión, se consigue mediante campos eléctricos. Ello constituye la deflexión electrostática. Una minoría de aparatos de osciloscopía especializados en la visualización de curvas de respuesta, emplean el sistema de deflexión electromagnética, igual al usado en televisión. Este último tipo de osciloscopio carece de control del tiempo de exploración. El proceso de deflexión del haz electrónico se lleva a cabo en el vacío creado en el interior del llamado tubo de rayos catódicos (TRC). En la pantalla de éste es donde se visualiza la información aplicada. El tubo de rayos catódicos de deflexión electroestática está dotado con dos pares de placas de deflexión horizontal y vertical respectivamente, que debidamente controladas hacen posible la representación sobre la pantalla de los fenómenos que se desean analizar. Esta representación se puede considerar inscrita sobre unas coordenadas cartesianas en las que los ejes horizontal y vertical representan tiempo y tensión respectivamente. La escala de cada uno de los ejes cartesianos grabados en la pantalla, puede ser cambiada de modo independiente uno de otro, a fin de dotar a la señal de la representación más adecuada para su medida y análisis. Las dimensiones de la pantalla del TRC están actualmente normalizadas en la mayoría de instrumentos, a 10 cm en el eje horizontal (X) por 8 cm en el eje vertical (Y). Sobre la pantalla se encuentran grabadas divisiones de 1 cm cuadrado, bien directamente sobre el TRC o sobre una pieza superpuesta a él, en la que se encuentra impresa una retícula de 80 cm cuadrados. En esta retícula es donde se realiza la representación de la señal aplicada al osciloscopio. Tipos de osciloscopios Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es 7

8 prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente). Osciloscopios analógicos Cuando se conecta la sonda a un circuito, la señal atraviesa esta última y se dirige a la sección vertical. Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la señal ó la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa. La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de deflexión horizontal, y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El trazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del mismo diente de sierra. De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las señales repetitivas (se asegura que el trazado comience en el mismo punto de la señal repetitiva). Como conclusión para utilizar de forma correcta un osciloscopio analógico necesitamos realizar tres ajustes básicos: La atenuación ó amplificación que necesita la señal. Utilizar el mando AMPL para ajustar la amplitud de la señal antes de que sea aplicada a las placas de deflexión vertical. Conviene que la señal ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los límites. La base de tiempos. Utilizar el mando TIME-BASE para ajustar lo que representa en tiempo una división en horizontal de la pantalla. Para señales repetitivas es conveniente que en la pantalla se puedan observar aproximadamente un par de ciclos. Disparo de la señal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible señales repetitivas. Por supuesto, también deben ajustarse los controles que afectan a la visualización: FOCUS (enfoque), INTENS (intensidad) nunca excesiva, Y-POS (posición vertical del haz) y X-POS (posición horizontal del haz). Terminología Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen ondas de sonido, ondas oceánicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. Un osciloscopio mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se repite en el tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de una onda. Una forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y). La forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la señal. En cualquier momento podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo (si observamos, por ejemplo, una línea horizontal podremos concluir que en ese intervalo de tiempo la señal es constante). Con la pendiente de las líneas diagonales, tanto en flanco de subida como en flanco de bajada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro, pueden observarse también cambios repentinos de la señal (ángulos muy agudos) generalmente debidos a procesos transitorios. Tipos de ondas Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes: Ondas senoidales Ondas cuadradas y rectangulares Ondas triangulares y en diente de sierra. Pulsos y flancos ó escalones. 8

9 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 tienen esta 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 especial 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 si 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 cuadradas en no tener iguales los intervalos en los 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 voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico ó el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones 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. Pulsos y flancos ó escalones Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias. Un flanco ó escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaría, en este mismo ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente el pulso representa un bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital ó también un pequeño defecto en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentáneo). Es común encontrar señales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones. 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 (V ) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de pp esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa. En la serie de valores que experimenta una corriente alterna o una fuerza electromotriz senoidal, en el transcurso de un ciclo, el más alto posible es cuando el inductor corta el mayor número posible de líneas de fuerza. Este valor se denomina Valor máximo y es positivo a 90 º y negativo a 270 º eléctricos. Se llama valor instantáneo al valor de la corriente o del voltaje en un momento cualquiera. El valor máximo es un valor instantáneo, lo mismo que el valor de cero y cualquier otro comprendido entre estos dos. Desde el punto de vista práctico, es de gran importancia el valor efectivo o rms, que es el valor que registran los instrumentos de medición para corriente alterna. El valor rms es el que produce el mismo efecto térmico (de calor) que el de una corriente directa. Así, por ejemplo, si una corriente directa de 5 amperios calienta el agua de una vasija a una temperatura de 90 º C, una corriente alterna que produzca la misma elevación de temperatura tendrá un valor efectivo o rms de 5 amperios. El valor medio de una onda alterna senoidal pura es cero, dado que la semionda positiva es igual y de signo contrario a la semionda negativa. De ahí que cuando se habla de valor medio siempre se refiera al valor medio de una semionda. El valor medio de una senoide simétrica se define como la media algebraica de los valores instantáneos durante un semiperiodo. También 9

10 podemos decir que el valor medio es una ordenada tal que el área del rectángulo a que da lugar es igual al área del semiperiodo. Se representa añadiendo el subíndice med a la letra mayúscula de la magnitud de la cual se trate, E, I, P, etcétera. Tiene por expresión med med med matemática:, o lo que es lo mismo Relaciones entre los valores pico a pico, máximo y efectivo El valor máximo es la mitad del valor pico a pico, y el valor rms se obtiene dividiendo el valor pico a pico por, por ejemplo si obtenemos en una medición un valor de voltaje pico a pico de 18 voltios y deseamos obtener el valor máximo y el valor rms, procederemos como sigue: ; ; Luego el voltaje máximo en nuestro ejemplo es de 9 voltios, el voltaje rms es de 6,364 voltios y el voltaje medio es de 5,730 voltios. Fase La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un circulo de 360 º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360 º. Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no estén en fase, o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas señales. En este caso se dice que ambas señales están desfasadas, pudiéndose medir el desfase con una simple regla de tres: Siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra. Funcionamiento del Osciloscopio Los siguientes son los pasos para el correcto manejo del osciloscopio: Poner a tierra Una buena conexión a tierra es muy importante para realizar medidas con un osciloscopio. Por seguridad es obligatorio colocar a tierra el osciloscopio. Si se produce un contacto entre un alto voltaje y la carcasa de un osciloscopio no puesto a tierra, cualquier parte de la carcasa, incluidos los mandos, puede producirle un peligroso shock. Mientras que un osciloscopio bien colocado a tierra, la corriente, que en el anterior caso atravesaría al usuario, se desvía a la conexión de tierra. Para conectar a tierra un osciloscopio se necesita unir el chasis del osciloscopio con el punto de referencia neutro de tensión (comúnmente llamado tierra). Esto se consigue empleando cables de alimentación con tres conductores (dos para la alimentación y uno para la toma de tierra). El osciloscopio necesita, por otra parte, compartir la misma masa con todos los circuitos bajo prueba a los que se conecta. Algunos osciloscopios pueden funcionar a diferentes tensiones de red y es muy importante asegurarse que esta ajustado a la misma de la que disponemos en las tomas de tensión. Ponerse a tierra uno mismo Si se trabaja en circuitos integrados (ICs), especialmente del tipo CMOS, es necesario colocarse a tierra uno mismo. Esto es debido a que ciertas partes de estos circuitos integrados son susceptibles de estropearse con la tensión estática que almacena nuestro propio cuerpo. Para resolver este problema se puede emplear una correa conductora que se conectará debidamente a tierra, descargando la electricidad estática que posea su cuerpo. Ajuste inicial de los controles Después de conectar el osciloscopio a la toma de red y de alimentarlo pulsando en el interruptor de encendido. Es necesario familiarizarse con el panel frontal del osciloscopio. Todos los osciloscopios disponen de tres secciones básicas que llamaremos: Vertical, Horizontal, y Disparo. Dependiendo del tipo de osciloscopio empleado en particular, podemos disponer de otras secciones. 10

11 Existen unos conectores BNC, donde se colocan las sondas de medida. La mayoría de los osciloscopios actuales disponen de dos canales etiquetados normalmente como I y II (ó A y B). El disponer de dos canales nos permite comparar señales de forma muy cómoda. Algunos osciloscopios avanzados poseen un interruptor etiquetado como AUTOSET ó PRESET que ajustan los controles en un solo paso para ajustar perfectamente la señal a la pantalla. Si el osciloscopio no posee esta característica, es importante ajustar los diferentes controles del aparato a su posición standard antes de proceder a medir. Estos son los pasos más recomendables: Ajustar el osciloscopio para visualizar el canal I. (Al mismo tiempo se colocará como canal de disparo el I). Ajustar a una posición intermedia la escala voltios/división del canal I (por ejemplo 1v/cm). Colocar en posición calibrada el mando variable de voltios/división (potenciómetro central). Desactivar cualquier tipo de multiplicadores verticales. Colocar el conmutador de entrada para el canal I en acoplamiento DC. Colocar el modo de disparo en automático. Desactivar el disparo retardado al mínimo ó desactivado. Situar el control de intensidad al mínimo que permita apreciar el trazo en la pantalla, y el trazo de focus ajustado para una visualización lo más nítida posible (generalmente los mandos quedaran con la señalización cercana a la posición vertical). Sondas de medida Con los pasos detallados anteriormente, ya estamos en condiciones de conectar la sonda de medida al conector de entrada del canal I. Es muy importante utilizar las sondas diseñadas para trabajar específicamente con el osciloscopio. Una sonda no es, ni mucho menos, un cable con una pinza, sino que es un conector específicamente diseñado para evitar ruidos que puedan perturbar la medida. Además, las sondas se construyen para que tengan un efecto mínimo sobre el circuito de medida. Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla se utiliza un atenuador pasivo, generalmente de x10. Este tipo de sonda se proporciona generalmente con el osciloscopio y es una excelente sonda de utilización general. Para otros tipos de medidas se utilizan sondas especiales, como pueden ser las sondas de corriente ó las activas. Sondas pasivas La mayoría de las sondas pasivas están marcadas con un factor de atenuación, normalmente 10X ó 100X. Por convenio los factores de atenuación aparecen con el signo X detrás del factor de división. En contraste los factores de amplificación aparecen con el signo X delante (X10 ó X100). La sonda más utilizada posiblemente sea la 10X, reduciendo la amplitud de la señal en un factor de 10. Su utilización se extiende a partir de frecuencias superiores a 5 KHz y con niveles de señal superiores a 10 mv. La sonda 1X es similar a la anterior pero introduce más carga en el circuito de prueba, pero puede medir señales con menor nivel. Por comodidad de uso se han introducido sondas especiales con un conmutador que permite una utilización 1X ó 10X. Cuando se utilicen este tipo de sondas hay que asegurarse de la posición de este conmutador antes de realizar una medida. Compensación de la sonda Antes de utilizar una sonda atenuadora 10X es necesario realizar un ajuste en frecuencia para el osciloscopio en particular sobre el que se vaya a trabajar. Este ajuste se denomina compensación de la sonda y consta de los siguientes pasos. Conectar la sonda a la entrada del canal I. Conectar la punta de la sonda al punto de señal de compensación (La mayoría de los osciloscopios disponen de una toma para ajustar las sondas, en caso contrario será necesario utilizar un generador de ond a cuadrada). Conectar la pinza de cocodrilo de la sonda a masa. Observar la señal cuadrada de referencia en la pantalla. Con el destornillador de ajuste, actuar sobre el condensador de ajuste hasta observar una señal cuadrada perfecta. 11

12 Sondas activas Proporcionan una amplificación antes de aplicar la señal a la entrada del osciloscopio. Pueden ser necesarias en circuitos con una potencia de salida muy baja. Este tipo de sondas necesitan para operar una fuente de alimentación. Sondas de corriente Posibilitan la medida directa de las corrientes en un circuito. Las hay para medida de corriente alterna y continua. Poseen una pinza que abarca el cable a través del cual se desea medir la corriente. Al no situarse en serie con el circuito causan muy poca interferencia en él. Qué podemos hacer con un osciloscopio? Medir directamente la tensión (voltaje) de una señal. Medir directamente el periodo de una señal. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. Medir la diferencia de fase entre dos señales. Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. Localizar averías en un circuito. Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo. Medida de tensiones con el Osciloscopio Las pantallas de los Osciloscopios vienen calibradas con un reticulado de modo que en función de las ganancias seleccionadas para los circuitos internos, podemos usarlas como referencias para medir tensiones. Así si la llave selectora de ganancia estuviera en la posición de 1V/div, lo que corresponde a 1 voltio por cada división, bastará centrar la señal para poder obtener diversas lecturas sobre su intensidad a partir de la forma de onda. En la figura por ejemplo, tenemos un ejemplo de señal de 3 voltios de tensión máxima o 6 voltios de tensión pico a pico, si la llave selectora está en la posición 1V/div. Este procedimiento no sólo se aplica a señales alternadas. También las tensiones continuas pueden medirse con el osciloscopio. Una vez centrado el trazo en la pantalla, aplicamos en la entrada vertical la tensión que queremos medir. El alejamiento del trazo en la vertical (para arriba o para abajo) va a depender de la tensión de entrada. Si la señal analizada tiene forma de onda conocida senoidal, triangular, rectangular además de los valores de pico resulta fácil obtener otros valores como por ejemplo el valor medio, el valor rms. Del mismo modo si se trata de una señal de audio de forma conocida, también podemos calcular la potencia. En cada una de las posiciones del atenuador vertical, se puede leer directamente la tensión necesaria para desviar el trazo un centímetro, en sentido vertical. Esto nos permite realizar mediciones de tensión sobre la pantalla, tanto de continua como de alterna. En ambos casos, se situará el conmutador de acoplamiento en la posición adecuada. La medida de una tensión alterna se realizará contando los centímetros o cuadros de la retícula que ocupa la señal sobre la pantalla, multiplicándolos por el factor de conversión seleccionado con el conmutador de vertical, teniendo en cuenta que cuanto mayor sea el espacio ocupado por la señal, sobre la pantalla, más fiable será la medida realizada. Al realizar una medida de tensión continua, o bien su componente dentro de una forma de onda, lo que mediremos será el desplazamiento vertical que experimenta la deflexión a partir de una determinada referencia. Este desplazamiento nos indicará además, la polaridad de la tensión continua medida, según sea hacia la parte superior de la retícula (tensión positiva) o hacia la parte inferior (tensión negativa). Medida de Tiempos con el Osciloscopio La distancia respecto al tiempo, entre dos puntos determinados, se puede calcular a partir de la distancia física en centímetros existente entre dichos puntos y multiplicándola por el factor indicado en el conmutador de la base de tiempos. En el ejemplo anterior si la llave selectora de intervalo de tiempo estuviera en.01 segundo, el tiempo del ciclo dibujado sería de.1 segundo, es decir, esta sería una onda de periodo igual a.1 segundo. Medida de frecuencia La frecuencia propia de una señal determinada se puede medir sobre un osciloscopio con arreglo a dos métodos distintos: 1. A partir de la medida de un período de dicha señal según la aplicación del método 12

13 anterior y empleando la fórmula: 2. Mediante la comparación entre una frecuencia de valor conocido y la que deseamos conocer. En este caso el osciloscopio se hace trabajar en régimen X/Y (Deflexión exterior). Aplicando cada una de las señales, a las entradas X e Y del osciloscopio y en el caso de que exista una relación armónica completa entre ambas, se introduce en la pantalla una de las llamadas figuras de Lissajous, a la vista de la cual se puede averiguar el número de veces que una frecuencia contiene a la otra y por lo tanto deducir el valor de la frecuencia desconocida. Medida de fase El sistema anterior de medida de frecuencia mediante el empleo de las curvas de Lissajous, se puede utilizar igualmente para averiguar el desfase en grados existente entre dos señales distintas de la misma frecuencia. Hacemos trabajar el osciloscopio con deflexión horizontal exterior, aplicando a sus entradas horizontal y vertical (X/Y) las dos señales que se desean comparar. Imagen en la que se producen borrados del trazo distribuidos de modo uniforme. Curva de Lissajous. Señales desfasadas 30º (o bien 330º). Curva de Lissajous. Señales desfasadas 90º (o bien 270º). Curva de Lissajous. Señales en fase, 0º ó 360º. Curva de Lissajous. Señales desfasadas 110º (o bien 250º). Curva de Lissajous. Señales desfasadas 180º. Sistema para la medida del desfase en grados, existente entre dos señales de igual frecuencia. Una vez medidas las distintas a y b (la imagen debe estar perfectamente centrada sobre la retícula) se emplea la fórmula: Ø = arcsen b Medida del grado de desfase entre dos señales de igual frecuencia, mediante el empleo de un osciloscopio de doble canal vertical. La a corresponde al desplazamiento de fase entre ambas señales de igual frecuencia. Y b corresponde a la duración de un ciclo completo de una de las dos señales. La fórmula que relaciona ambas medidas, y que permite hallar el desfase en grados, es la siguiente: Ø = b x 360º Mediante esta conexión se formará en la pantalla una curva de Lissajous que debidamente interpretada nos dará la diferencia de fase existente entre las dos formas de onda que se comparan. En los anteriores dibujos, se dan algunos ejemplos de este sistema de aplicación. Aparte de los ejemplos de medida anteriores, en el caso de que se requiera una mayor precisión en la medida de un desfase y empleando igualmente las curvas de Lissajous. Si se dispone de un osciloscopio con doble canal vertical, se puede también medir el desfase entre dos señales de igual frecuencia, mediante la aplicación a cada canal vertical de una de las señales que se desea comparar. El osciloscopio trabaja en este caso con su propia deflexión horizontal, con lo que se podrán comparar las señales y apreciar su grado de desfase. 13

14 3. PARTE EXPERIMENTAL Ubique en su mesa de trabajo al osciloscopio, identifique cada uno de los siguientes controles: 1.- Interruptor de encendido: Pulse para encender o apagar el equipo. 2.- Indicador de encendido: Se ilumina cuando el osciloscopio está en operación. 3.- Control de intensidad: Ajusta el brillo del trazo en el Tubo de Rayos Catódicos. 4.- Control de foco: Ajusta la nitidez del trazo. 5.- Control de rotación: Mediante un destornillador permite ajustar la alineación del trazo con el eje horizontal de la cuadrícula del Tubo de Rayos Catódicos. (Verifique que el haz se encuentre alineado con la cuadricula, en caso que no se encuentre, consulte con el profesor o auxiliar docente para alinear el trazo) 7.- Selector de Voltaje: Permite cambiar el rango del voltaje de operación. (Asdegúrese que se encuentre en 110Volt) 8.- Conector de alimentación: Permite remover o remplazar el cordón de alimentación. 9.- Conector de entrada del canal 1 o entrada horizontal: Para aplicar la señal de 14

15 entrada al eje vertical del canal 1, o al eje horizontal durante se ejecute la función X-Y Conector de entrada del canal 2 o entrada vertical: Para aplicar la señal de entrada al eje vertical del canal 2, o al eje vertical durante se ejecute la función X-Y CH1 AC/GND/DC: Selecciona el método de acoplamiento de la señal de entrada del amplificador vertical del canal 1. AC: Inserta un capacitor entre el conector de entrada y el amplificador para bloquear el paso de cualquier señal DC. (Se recomienda sólo cuando se midan señales senoidales puras). GND: Conecta la entrada del amplificador a tierra en lugar del conector de entrada. DC: Conecta el amplificador directamente al conector de entrada. De esta manera pasan todas las señales sin importar la forma y las componentes de corriente continua CH2 AC/GND/DC: Selecciona el método de acoplamiento de la señal de entrada del amplificador vertical del canal CH1 Volts/Div: Selecciona el factor calibrado de deflexión aplicado a la señal que alimenta el amplificador vertical del canal CH2 Volts/Div: Selecciona el factor de deflexión calibrado aplicado a la señal que alimenta el amplificador vertical del canal 2. Nota: El valor señalado en el selector Volts/Div es el valor en voltaje que representa una división en el cuadrante del tubo de rayos catódicos. 15 y 16.- Control Variable: Provee un ajuste variable continuo del factor de deflexión entre los pasos del selector Volts/Div. 6.- X5 MAG: Colocado el interruptor en esta posición, aumenta 5 veces la sensibilidad vertical. El factor de deflexión mostrado en el Volts/Div queda dividido entre 5. En esta situación, la máxima sensibilidad es 1mv/div CH1 POSITION: Desplaza verticalmente la ubicación del trazo del canal 1 a lo largo de la pantalla CH2 POSITION: Desplaza verticalmente la ubicación del trazo del canal 2 a lo largo de la pantalla CH2 INV: Invierte la señal que entra al canal V MODE: Selecciona el modo de trabajo del amplificador vertical CH1: Muestra la señal de entrada en el canal 1. CH2: Muestra la señal de entrada en el canal 2. ADD: Muestra la señal resultante de la suma algebraica de CH1 y CH2. DUAL: Muestra las señales de entrada de los canales 1 y 2 simultáneamente. Modo CHOP: Para Time/Div (0,2s-5ms). Realiza un muestreo de ambas señales simultáneamente. Se realizan un número elevado de conmutaciones entre ambas señales durante un barrido horizontal. Estas conmutaciones son imperceptibles para frecuencias no muy elevadas. Este modo es el indicado para medir defasajes. Modo ALT: Para Time/Div (2ms-0,2us). Por un barrido completo permanece en el canal 1 (CH1), para el próximo conmuta para el canal 2 (CH2), y así sucesivamente. No se recomienda para medición de defasaje entre dos señales puesto que la presentación de estas no es simultanea. Cada una es sincronizada por separado TIME/DIV: Selecciona el factor calibrado de barrido horizontal de la base de tiempo principal. Selecciona el factor de retardo del barrido o la operación XY donde la deflexión horizontal es controlada por la señal del canal Control Variable de TIME/DIV: Provee un ajuste variable continuo del factor de barrido entre los pasos del selector Time/Div. Cuando este control se encuentra fuera del tope, se pierde la calibración del selector TIME/DIV X10 MAG: Colocado el interruptor en esta posición, el tiempo de barrido se expande a 10 veces y en este instante el valor indicado en el selector Time/Div queda dividido entre

16 26.- HORIZONTAL POSITION: Ajusta la posición horizontal del trazo formado en el tubo de rayos catódicos Trigger MODE: Selecciona el modo de disparo del barrido. La finalidad de controlar el disparo es para permitir que la señal aparezca inmovil en el tubo de rayos catódicos, y de esta manera poder realizar las mediciones. AUTO: El barrido es libre cuando es mostrada la linea horizontal con la ausencia de señal de entrada. Esta condicion cambia automáticamente a un barrido disparado cuando una señal de disparo de 25Hz o superior es recibida y otros controles de disparo están apropiadamente ajustados. NORM: Produce barrido sólo cuando una señal de disparo es recibida y otros controles están apropiadamente ajustados. No es visible trazo si no se cumplen los requisitospara el disparo, este modo debe ser usado para señales a frecuencias de 25 Hz o inferiores. TV-V: Es utilizada para observar una señal de video compuesta del tipo de barrido de cuadros (señal vertical): TV-H: Es utilizada para observar una señal de video compuesta del tipo de barrido de líneas (señal horizontal): 28.- Trigger SOURCE: Para seleccionar convenientemente la fuente de disparo. INT: La fuente para sincronizar el disparo es la señal del canal 1 o del canal LINE:La fuente para sincronizar el disparo es la señal de alimentación AC 60 Hz. Permite estabilizar la señal de componentes relacionados con la linea de alimentación (alimentados de la misma, etc). EXT: Selecciona la señal aplicada al conector EXT TRIG IN Trigger LEVEL: Selecciona el nivel instantaneo de voltaje de la señal de entrada en el cual ocurre el disparo del barrido, tanto positivo como negativo Trigger SLOPE: Selecciona la pendiente de la deñal de entrada para realizar el disparo. (+) El disparo ocurre cuando el voltaje sube hasta alcanzar el nivel de disparo. (-) El disparo ocurre cuando el voltaje baja hasta llegar al nivel de disparo ajustado en Trigger Level EXT TRIG IN: Para aplicar una señal externa de disparo. PRECAUCIÖN: para evitar daño en el equipo, no aplique mas de 250V (DC o valor pico de voltaje AC) entre el terminal EXT Trig in y tierra Interruptor INT: Para seleccionar cual es la señal interna que se utilizará como referencia para hacer el disparo. CH1: Se selecciona cuando sólo exista señal en el canal 1 CH2: Se selecciona cuando sólo exista señal en el canal 2. VERT: Selecciona como referencia para el disparo el canal seleccionado en el selector de modo vertical V MODE EXT. BLANKING INPUT: Para aplicar señal de intensidad modulada. El trazo del tubo de rayos catódicos disminuye con una señal positiva y aumenta con una señal negativa, 36.- PROBE ADJUST: Provee un onda cuadrada de amplitud precisa para el ajuste de la punta de prueba y calibración del amplificador vertical. PUNTA DE PRUEBA: Es un dispositivo que permite la conexión entre el osciloscopio y el circuito. Estas puntas de prueba vienen disponibles con un factor de atenuación 1X (la señal pasa directo al instrumento) y 10X (la señal de entrada se atenúa 10 veces, o sea V/10). Existen puntas que traen ambas posibilidades, disponiendo de un selector de atenuación. 16

17 3.2.- Encienda el osciloscopio, mueva las perillas de posición vertical y horizontal hasta tener un trazo horizontal en todo el centro de la pantalla. Proceda a calibrar la punta de prueba del osciloscopio siguiendo el siguiente procedimiento: coloque el gancho en PROBE ADJUST, se seleccione el canal donde se encuentra conectada la punta, coloque el selector AC/GND/DC en DC, ajuste el VOLT/DIV y el TIME/DIV y los controles de posición vertical y horizontal hasta observar con claridad la onda cuadrada. Se debe ajustar la capacitancia de calibración hasta obtener la forma correcta de la onda cuadrada como se muestra en la siguiente figura: 17

18 Generador de Funciones (Sesión 4) 1. Objetivo Caracterizar el generador de funciones 2. Marco Teórico Además de la corriente directa ya vista, se genera también otro tipo de corriente denominada alterna (C.A.), que se diferencia de la directa por el cambio constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos o hertz por segundo posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente directa. El generador de funciones es un elemento que nos permite obtener señales de corriente alterna, con diferentes formas de onda, pero la fundamental es la señal seniodal con la cual recreamos en pequeña escala la red de alimentación que surte de energía todos lo artefactos eléctricos nuestro alcance(salvo que trabajen con baterías), y de está forma poder experimentar y simular sistemas. 3. Parte Experimental Ubique en su mesa de trabajo al osciloscopio, identifique cada uno de los siguientes controles: 18

19 1.-Interruptor de encendido: Pulse para encender o apagar el equipo. 2.-Indicador de encendido: Se ilumina cuando el osciloscopio está en operación. 3.-Dial de Frecuencia: Varía la frecuencia de salida dentro del rango seleccionado en el selector de rango. 7.-Control del Offset DC: El control DC Offset provee hasta 10V a circuito abierto o 5V en carga de 50Ω. Al girar en sentido horario se administra voltaje positivo, y en sentido antihorario se suministra voltaje negativo. Halando la perilla se activa el offset. 8.-Control de amplitud: Controla la amplitud de la señal de salida. La máxima atenuación (superior a 20dB) se consigue cuando la perilla se encuentra totalmente hacia la posición antihoraria. Halando la perilla se se tiene una atenuación adicional de 20dB. 9.-Selector del Rango de Frecuencia: Selecciona uno de los siguientes rangos de frecuencia de oscilación deseados: Rango de Frecuencia Frecuencia de Salida Hz - 2 Hz 10 2 Hz - 20 Hz Hz Hz 1K 200 Hz 2 KHz 10K 2 KHz 20 KHz 100K 20 KHz 200 KHz 1M 200 KHz 2 MHz 10.-Selector de Función: Accionando uno de los tres pulsadores, se selecciona entre forma de onda senoidal, triangular o cuadrada. 13.-Conector de Salida: Este es el conector principal de salida para señal senoidal, triangular o cuadrada. La impedancia de salida por este conector es de 50Ω. 14.-Selector de Voltaje: Permite cambiar el rango del voltaje de operación. (Asegúrese que se encuentre en 110Volt) 15.-Conector de alimentación: Permite remover o remplazar el cordón de alimentación Conecte el cable de salida del generador de funciones. Encienda el osciloscopio y el generador de funciones. Ajuste el generador para suministrar una señal senoidal de 2KHz. Coloque la perilla de amplitud al máximo. Encienda el osciloscopio y conecte la punta de prueba en el canal 1. Ajuste los selectores Volt/Div y Time/Div hasta observar dos ciclos completos en la pantalla del osciloscopio. Mida la frecuencia y la amplitud de la señal con el osciloscopio. Anote lo observado. 19

20 Gire el dial de frecuencia del generador en ambos sentidos y observe lo que ocurre en el osciloscopio con la señal. Tome nota Coloque el selector de acoplamiento en GND y anote lo observado Cambie el selector de función del generador a onda cuadrada y coloque el selector de acoplamiento en DC. Repita la medición de frecuencia y amplitud Coloque el selector de acoplamiento en AC y observe la pantalla. Que ocurre con la onda cuadrada visualizada. Baje la frecuencia hasta 100Hz en el generador y ajuste los selectores Volt/Div y Time/Div hasta observar dos ciclos completos en el osciloscopio. Dibuje lo observado Coloque el selector de acoplamiento del osciloscopio en DC y el selector de función del generador en triangular. Observe y describa la señal que se visualiza en el osciloscopio. 20

21 Ajuste el generador para suministrar una señal senoidal de 2KHz. Coloque la perilla de amplitud a media escala. Ajuste los selectores Volt/Div y Time/Div del osciloscopio hasta observar dos ciclos completos en la pantalla. Coloque el selector de acoplamiento en AC. Hale la perilla DC Offset del generador y gírela hacia la derecha (en sentido horario) hasta que la señal visualizada apenas comience a cortarse. Mida frecuencia y amplitud de la señal. Coloque el selector de acoplamiento en DC y observe lo ocurrido Presione la perilla DC Offset del generador y ajuste la amplitud al máximo. Mueva la perilla Volt/Div del osciloscopio hasta que la señal se observe lo mas grande posible. En la punta de prueba mueva el selector de atenuación a la posición X10 y observe lo ocurrido con la señal en el osciloscopio Coloque de nuevo el selector de atenuación de la punta de prueba en 1X, ahora mueva en ambas direcciones la perilla trigger level del osciloscopio y observe el inicio del trazo en el lado izquierdo de la pantalla. Anote lo observado Coloque la perilla Trigger Level en la posición central y mueva el selector de pendiente (Slope) a la posición - y luego de nuevo a la posición +. Cual es la diferencia entre ambos casos Analice los resultados observados y concluya sobre el manejo y aplicaciones del osciloscopio Observe el panel frontal del osciloscopio y localice cada una de las áreas de control. En cada una de ellas identifique las perillas de control: - Controles de deflexión horizontal: Time/Div, posición. - Controles de deflexión vertical: Volts/Div, posición. - Controles de los canales A y B, acoplamiento: AC, DC, GND, A+B. - Controles de sincronización: Trigger level. - Controles de la pantalla: intensity, Focus. ADVERTENCIA: Maneje con delicadeza las perillas y controles de los aparatos, ya que estas son mecánicamente muy frágiles Antes de encender el osciloscopio realice los siguientes ajustes: - Ajuste los controles de posición horizontal y vertical a media posición. -Ajuste el control de intensidad a la posición máxima. - Coloque el control de Trigger en Auto Encienda el osciloscopio, y espere a que aparezca en la pantalla el trazado de una línea recta horizontal. Ajuste los demás controles como se indica a continuación: Nivel de disparo (Trigger level): Media Escala Fuente de Disparo (Trigger source): Int TV/Norm: Norm Selector de pendiente (+/-): + 21

22 Calibración de la base de tiempo: Pos: Cal Acoplamiento de entrada (AC/DC): DC Seleccione los dos canales A y B simultáneamente. Ajuste el control de multiplicación de escala vertical Volts/Div del canal A y B en 1 Volts/Div, el control de calibración de escala en la posición Cal y los ajustes de intensidad y foco hasta obtener un trazado nítido y de baja intensidad en la pantalla Antes de efectuar cualquier medición de voltaje con el osciloscopio es necesario chequear la calibración de las escalas de voltaje. Para esto proceda de la siguiente manera: Para el canal A conecte la señal de calibración proporcionada por el mismo osciloscopio a la entrada vertical. Consulte con la parte teórica de información del valor pico-pico y frecuencia de la señal de calibración. Utilice las escalas apropiadas de calibración y destaque si el instrumento se encuentra ó no calibrado, si no lo está, ajuste la calibración fina hasta conseguirlo Desconecte la base de tiempo, de tal manera que se vea un punto estático en la pantalla Fije el control Volts/Div a 1 Volts/Div y haga entrar una señal AC del generador de señal, de magnitud variable y frecuencia de 1 KHz a la entrada de las placas verticales o canal A. Utilice el control de ganancia vertical en diferentes posiciones. Da una medida del pico a pico de la tensión aplicada para cada posición del control de ganancia vertical. Vpp = Volts/Div x n Div Accione los siguientes modos: - Modo calibrado del control de frecuencia. - Modo AC. - Modo interno del selector de señal del sincronismo. - Selector de frecuencia a la tensión diente de sierra. -Control de amplificación de la tensión de entrada a las placas de desviación vertical. Obtenga una tabla de valores de la tensión pico a pico en la que se indique el número (n) de divisiones del pico a pico y la posición del control de ganancia vertical (Volts/Div). Además de eso, mida a la vez con un voltímetro AC la señal aplicada y variando la magnitud de la señal realice la siguiente tabla: Longitud ( n divisiones) Osciloscopio ( Volts/Div). Voltímetro ( Volts RMS). Comente sobre los resultados obtenidos Mantener fija la frecuencia de la tensión de barrido (Fb), selecciona los valores de frecuencia en el generador de señal a un 1 ciclo (1 período), 2 ciclo, 3 ciclo, 4 ciclo ( Multiplicador de frecuencia del generador). Determina el período de barrido Tb. Tb = p. time/div x n. Div ; para Tb = Tv donde (p) es la posición del control del período (ó frecuencia) de la tensión de barrido y (n) el número de divisiones que comprenden un período en la pantalla; luego Fb = 1 / Tb Obtenga una tabla de valores de las frecuencias medidas en el generador de 22