2009 – II

CONTENIDO

Pág.1. RESUMEN………………………………………………………………………………………………………………………...2

2. OBJETIVOS………………………………………………………………………………………………………………..……….…..2

3. EQUIPOS Y MATERIALES…………………………………………………………………………………………………...

4. FUNDAMENTO TEÓRICO………………………………………………………………………………………………………..3

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS……………………………………………………………………………………………………..5

6. CUESTIONARIO……………………………………………………………………………………………………………………...7

7. CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………………………………………8

8. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………………………………………8

1. RESUMEN

El osciloscopio es un instrumento que nos permite analizar el comportamiento de señales, en esta experiencia lo utilizaremos (osciloscopio analógico) para realizar mediciones de funciones generadas por diversos dispositivos, permitiéndonos comprender el funcionamiento y manejo de este equipo. Análogamente confirmaremos los valores de voltaje obtenidos con el osciloscopio analógico con los de un multímetro digital, de lo cual podremos concluir que instrumento es más apropiado para dichos fines.

Para dicho propósito evaluaremos señales de tensión respecto al tiempo, también usaremos el graficador XY incorporado en el osciloscopio para comparar señales provenientes de los dos canales de entrada que este posee. En esencia empleamos un osciloscopio con distintas fuentes de señales de entrada tales como el generador de funciones, una pila, una fuente de voltaje variable (DC) y un transformador reductor (220v. a 6v.).

Finalmente obtenemos valores característicos de los distintos tipos de señales tales como amplitud, frecuencia (en la ondas periódicas), etc. Así como también gráficas generadas por el graficador XY (figuras de Lissajous).

2. OBJETIVOS

- Conocer el osciloscopio y los comandos de uso (botones).

- Aplicar las funciones del Osciloscopio como:Instrumento de medida de voltaje constante y alterno.

Instrumento de medida de funciones de voltaje periódicas en el tiempo.

- Interpretar los resultados del generador de funciones medidos en el osciloscopio, como por ejemplo las curvas de Lissajous.

- Comparar los datos obtenidos en la experiencia, con los detallados en un multímetro.

- Determinar en una tabla comparativa los niveles de error entre las mediciones. 

3. EQUIPOS Y MATERIALES

Un osciloscopio de 25 MHz, Elenco modelo S-1325

Dos pilas de 1.5 volts cada una

Una fuente de voltaje constante con varias salidas

Un transformador de voltaje alterno 260/6V, 60 Hz.

Un generador de funciones Elenco GF-8026.

Cables de conexión.

Un multímetro digital.

4. FUNDAMENTO TEÓRICO

Es preciso mencionar y definir ciertos conceptos previos que nos ayudaran al mejor entendimiento y manejo de un osciloscopio.

1. CONCEPTOS PREVIOS

1.1. TENSIÓN ALTERNA Y, CONTINUA

Tensión AlternaEs aquella que varía respecto al tiempo en forma alternante, es decir, variando su polaridad a lo largo del tiempo.VALOR MEDIO

Se define el valor medio de una forma de onda o señal como la media de todos los valores que definen dicha onda. La suma de todos los valores de la onda es el área encerrada bajo la curva entre dos puntos dados.

VALOR EFICAZ, EFECTIVO Ó RMS (ROOT MEAN SQUARE – RAÍZ MEDIA CUADRÁTICA)Es el valor equivalente de una fuente de corriente continua que produciría la misma cantidad de calor o energía (también podemos considerar potencia, dado que es por el mimo tiempo) sobre el ciclo completo de una señal dependiente del tiempo.

Para un voltaje sinusoidal:

Tensión ContinuaSe define como aquel voltaje el cual se mantiene constante con respecto al tiempo.

1.2. FRECUENCIA Y PERIODO DE UNA ONDA

Frecuencia ( )

Es una medida que se utiliza generalmente para indicar el número de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso periódico en la unidad de tiempo.

Para calcular la frecuencia de un suceso, se contabilizan un número de ocurrencias de este teniendo en cuenta un intervalo temporal, luego estas repeticiones se dividen por el tiempo transcurrido.

Según el SI (Sistema Internacional), la frecuencia se mide en hertz (Hz), en honor a Heinrich Rudolf Hertz. Un hertz es aquel suceso o fenómeno repetido una vez por segundo.

Periodo (T)

Es la inversa de la frecuencia

1.3. TRANSFORMADOR

Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.

Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio.

2. OSCILOSCOPIO

DEFINICIÓN

El osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen que se obtiene se denomina oscilograma. 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 (deflexión electrostática).

Con el osciloscopio se pueden visualizar formas de ondas de señales alternantes, midiendo su voltaje pico a pico, medio y rms.

Figura 1: Osciloscopio Elenco S-1325

TIPOS DE OSCILOSCOPIOS

Los Osciloscopios pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada. 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.El tipo de osciloscopio que se utilizara en el experimento será del tipo analógico.

Osciloscopios analógicosLa tensión a medir se aplica a las placas de desviación vertical de un

tubo de rayos catódicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (denominada así porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca). Esta tensión es producida mediante un circuito oscilador apropiado (en nuestro caso: Generador de funciones Elenco GF- 8026) y su frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos.

Figure 2: Funcionamiento interno de un osciloscopio

El funcionamiento de un osciloscopio es el siguiente:

En el tubo de rayos catódicos el rayo de electrones generado por el cátodo y acelerado por el ánodo llega a la pantalla, recubierta interiormente de una capa fluorescente que se ilumina por el impacto de los electrones.

Si se aplica una diferencia de potencial a cualquiera de las dos parejas de placas de desviación, tiene lugar una desviación del haz de electrones debido al campo eléctrico creado por la tensión aplicada. De este modo, la tensión en diente de sierra, que se aplica a las placas de desviación horizontal, hace que el haz se mueva de izquierda a derecha y durante este tiempo, en ausencia de señal en las placas de desviación vertical, dibuje una línea recta horizontal en la pantalla y luego vuelva al punto de partida para iniciar un nuevo barrido. Este retorno no es percibido por el ojo humano debido a la velocidad a que se realiza y a que, de forma adicional, durante el mismo se produce un apagado (borrado) parcial o una desviación del rayo.

Si en estas condiciones se aplica a las placas de desviación vertical la señal a medir (a través del amplificador de ganancia ajustable) el haz, además de moverse de izquierda a derecha, se moverá hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la polaridad de la señal, y con mayor o menor amplitud dependiendo de la tensión aplicada.

Al estar los ejes de coordenadas divididos mediante marcas, es posible establecer una relación entre estas divisiones y el período del diente de sierra en lo que se refiere al eje X y al voltaje en lo referido al Y. Con ello a cada división horizontal corresponderá un tiempo concreto, del mismo modo que a cada división vertical corresponderá una tensión concreta. De esta forma en caso de señales periódicas se puede determinar tanto su período como su amplitud.

El margen de escalas típico, que varía de microvolts a unos pocos volts y de microsegundos a varios segundos, hace que este instrumento sea muy versátil para el estudio de una gran variedad de señales.

Osciloscopios DigitalesEn este tipo de osciloscopio la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico-digital, realiza un muestreo de la señal a representar y almacenan los datos obtenidos. Permiten guardar formas de onda correspondientes a distintas mediciones (incluso de ondas no periódicas) para su posterior visualización y provee al usuario facilidades como la medida automática de valores picos, máximos y mínimos de señal, medida de flancos de la señal, captura de transitorios, cálculos avanzados del espectro de una FFT.

Figure 3: Osciloscopios Digitales

COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS OSCILOSCOPIOS

Los osciloscopios analógicos están conformados básicamente por:a) Una fuente o cañón F que produce un haz de electrones.

b) Un par de placas horizontales H que, crean un campo eléctrico horizontal mediante una diferencia de potencial generada en los circuitos internos del osciloscopio.

c) Un par de placas verticales V sobre las que se aplica la diferencia de potencial a observar dando lugar a un campo eléctrico vertical.

d) Una pantalla fluorescente, cuadriculada en centímetros,

donde al haz de electrones en F produce una imagen. La forma de esta imagen dependerá de los campos en V y H y, en ciertas condiciones, será una representación gráfica del potencial aplicada en V.

3. GENERADOR DE FUNCIONES

Un Generador de Funciones o, para que se entienda mejor, un Generador de Ondas es un circuito oscilador que es capaz de entregar señales de ondas de varios tipos a frecuencia variable y a amplitud variable. Genera ondas de varios tipos, Senoidal, Triangular, Cuadrada, Diente de Sierra, Pulsos, Ruidos Rosa/Blanco, en Rampa, etc. Estas ondas deben ser variables en amplitud y en frecuencia.Un Generador de funciones empieza a tener sentido si es que disponemos de un Osciloscopio ya que si éste el aparato de medida tendría que ser nuestro oído u otro con menor precisión al de un osciloscopio.

Figura 4: Interior de un osciloscopio

Figure 5: Generador Elenco GF-8026 (frontal)

4. MULTÍMETRO

El multímetro digital es un instrumento electrónico de medición que generalmente calcula voltaje, resistencia y corriente, aunque dependiendo del modelo de multímetro puede medir otras magnitudes como capacitancia y temperatura. Gracias al multímetro podemos comprobar el correcto funcionamiento de los componentes y circuitos electrónicos.

A continuación se muestra un esquema de un multímetro digital (debido a que el multímetro que emplearemos será digital) donde se indican sus partes y la función de cada una.

1. Display de cristal líquido.2. Escala o rango para medir

resistencia.3. Llave selectora de medición.4. Escala o rango para medir

tensión en continua (puede indicarse DC en vez de una línea continua y otra punteada).

5. Escala o rango para medir tensión en alterna (puede indicarse AC en vez de la línea ondeada).

6. Borne de conexión para la punta roja, cuando se quiere medir tensión, resistencia y frecuencia (si tuviera), tanto en corriente alterna como en continua.

7. Borne de conexión negativo para la punta negra.

8. Borne de conexión para poner la punta roja si se va a medir mA (miliamperios), tanto en alterna como en continua.

9. Borne de conexión para la punta roja cuando se elija el rango de 20A máximo, tanto en alterna como en continua.

10.Escala o rango para medir corriente en alterna (puede venir indicado AC en lugar de la línea ondeada).

11.Escala o rango para medir corriente en continua (puede venir DC en lugar de una línea continua y otra punteada).

13

1 2

3

4

5

6

789

10

11

12

12.Zócalo de conexión para medir capacitores o condensadores.

13.Botón de encendido y apagado.

Medición de tensión en DC:Para efectuar estas mediciones el multímetro se conecta en paralelo con la carga en la que se quiere medir la caída de tensión y de manera análoga a las resistencias se va variando la escala hasta encontrar la apropiada.

Medición de corriente en DC:Para medir esta magnitud, hay que tener mucha precaución porque como amperímetro el multímetro se conecta en serie. Por lo tanto toda la corriente a medir se conducirá por su interior, con el riesgo de quemarlo. En el manual de uso el fabricante aconseja no solo el máximo de corriente que puede soportar sino además el tiempo en segundos. La escala se elige igual que en los casos anteriores.

Mediciones en AC: Estas son las más sencillas de realizar y devuelven valor eficaz, se toma en cuenta el valor máximo del parámetro a medir para seleccionar el rango.

Puntas de prueba : Negra a “COM” (7) y roja a “V/” (6)

Puntas de prueba : Negra a “COM”(7) y la roja a mA (8) para un máximo de 200mA o 20Amax. (9), según el rango seleccionado con la llave (3) .

Figure 6: Tipos de Ondas que se pueden generar

5. FUENTE DE ALIMENTACIÓN (VOLTAJE)

En electrónica, una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte las tensiones alternas de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico al que se conecta.

Figure 7: Fuente de alimentación utilizado

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS