PRÁCTICA N° 2 INSTRODUCCIÓN AL OSCILOSCOPIO DE RAYOS CATÓDICOS 1. OBJETIVO: Familiarizar al estudiante con el manejo del osciloscopio y algunas de sus aplicaciones, como son: Medidas de voltaje AC y DC, medidas de frecuencia y desfasaje entre dos señales. 2. EQUIPO Y MATERIAL NACESARIO: Osciloscopio de dos canales. Fuente de alimentación DC. Generador de señales. Circuito RC para producir desfasajes. Oscilador de Audio Cables para conexiones. 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS: En esta parte escribiremos algo sobre las señales sinusoidales. UNIVERSIDAD DEL ZULIA - Facultad de Ingeniería - Escuela de Ingeniería Eléctrica - Departamento de Física - Física II.
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estudiosdelafisica.files.wordpress.com · Web viewVoltaje medido = 0,5 V/cm * 7,6 cm = 3,8 Voltios (dc) MEDICIÓN DE VOLTAJE AC (CORRIENTE ALTERNA): ... Multiplicador de frecuencia
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PRÁCTICAN° 2
INSTRODUCCIÓN AL OSCILOSCOPIO DE RAYOS CATÓDICOS
1. OBJETIVO:
Familiarizar al estudiante con el manejo del osciloscopio y algunas de sus aplicaciones,
como son: Medidas de voltaje AC y DC, medidas de frecuencia y desfasaje entre dos señales.
2. EQUIPO Y MATERIAL NACESARIO:
Osciloscopio de dos canales. Fuente de alimentación DC.
Generador de señales. Circuito RC para producir desfasajes.
Oscilador de Audio Cables para conexiones.
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS:
En esta parte escribiremos algo sobre las señales sinusoidales.
3.1. SEÑALES SINUSOIDALES: Estas señales se llaman de esta manera porque siguen
la misma forma de variación que la función seno.
3.1.1. FRECUENCIA, AMPLITUD Y FASE: La forma de onda alterna más
sencilla es la onda sinusoidal de tensión o de intensidad, la cual varía sinusoidalmente
con el tiempo. Se genera una forma de onda sinusoidal haciendo variar la componente
vertical de un vector que gire en sentido contrario al de las agujas de un reloj con
velocidad angular constante ω, tal como se indica en la figura 1. A una revolución
completa se le da el nombre de ciclo y el intervalo de tiempo que se invierte en un ciclo
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recibe el nombre de período T. El número de ciclos por segundo es la frecuencia f y
por lo tanto:
(1)
Fig. 1: Generación de una onda sinusoidal por la componente vertical de un
vector giratorio.
El ámbito de las frecuencias que se encuentran en los circuitos electrónicos es muy
amplio, yendo desde el dominio infrasonoro de pocos ciclos por segundo (cps),
pasando por el dominio de frecuencias del orden del kilociclo (103 cps) y del megaciclo
(106 cps) hasta el del gigaciclo (109 cps).
Como a una revolución completa corresponden 2π radianes y se invierten en ella T
segundos,
(2)
Si es Vp la longitud del vector, el valor instantáneo en un instante cualquiera t es:
(3)
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T
Vp
0 /2 3/2 2 ωt
El valor Vp es la amplitud o valor de pico de la onda sinusoidal.
Si dos formas de onda sinusoidales tienen la misma frecuencia pero se anulan en
instantes diferentes, se dice que están fuera de fase y al ángulo que forman los dos
vectores giratorios se le llama ángulo de diferencia de fase. En la figura 2 la tensión v2
está adelantada respecto a la tensión sinusoidal v1 porque pasa antes por el valor cero y
la diferencia de fase es el ángulo Φ. Obsérvese que sólo se podrá definir la diferencia
de fase entre dos ondas sinusoidales si son de la misma frecuencia. Una onda
Fig 2. Ángulo de diferencia de fase entre dos tensiones sinusoidales.
sinusoidal de tensión viene descrita por completo por su frecuencia y amplitud, a
menos que se la compare con otra señal de la misma frecuencia. En este caso, la
ecuación más general de la tensión deberá contener el ángulo de diferencia de fase:
(4)
Obsérvese que se emplean minúsculas para designar tensiones (e intensidades)
variables con el tiempo, mientras que las mayúsculas se emplearán para hacer
referencia a valores constantes o a cantidades DC.
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v
v2 v1
v2
v1 t
3.1.2. VALOR EFICAZ: Es frecuentemente necesario comparar la intensidad de una
corriente sinusoidal con la de una DC. Ello se logra comparando el efecto Joule que
originan una y otra vez en una misma resistencia. Es decir, el valor eficaz de la
intensidad de una corriente sinusoidal es igual al de la de una corriente continua que
produzca el mismo efecto Joule que la corriente alterna. Para determinar este valor,
calcularemos el efecto Joule de una corriente alterna promediando las pérdidas en
forma de calor para un ciclo completo. Por tanto, la potencia media estará dada por:
(5)
La integral de sen2ωt es una forma clásica que figura en las tablas de integrales, con lo
cual:
(6)
Como el efecto Joule originado en una resistencia por una corriente continua es igual a I2R,
el valor eficaz Ie de una corriente alterna, también llamado intensidad eficaz, es:
(7)
o sea; (8)
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Según la ecuación (8) el valor eficaz de una onda sinusoidal no es más que su valor de pico
dividido por la raíz cuadrada de dos. Los voltímetros y amperímetros capaces de medir
señales de AC, están calibrados casi siempre en función de los valores eficaces con el fin
de facilitar la comparación de sus lecturas con las de instrumentos de medida DC. Se
entiende, en general, que las tensiones e intensidades de AC, están caracterizadas por sus
valores eficaces, a menos que se especifique otra cosa.
Similarmente para el voltaje se cumple:
(9)
4. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS APARATOS:
En esta parte describiremos el osciloscopio y su funcionamiento básico. El oscilador de
audio y el generador de señales.
4.1. EL OSCILOSCOPIO: Es osciloscopio de rayos catódicos es, hoy día, uno de los
instrumentos de medida y observación más versátiles usados en los diversos campos de la
investigación y de las aplicaciones técno-científicas. El osciloscopio es un aparato que se
utiliza para observar formas de ondas complejas. Con él se pueden realmente “ver” las
formas de ondas de tensión, al chocar los electrones sobre una pantalla fluorescente. En
principio, el osciloscopio puede ser comparado con un voltímetro convencional, en el que
se ha sustituido el sistema mecánico de registro por un haz de electrones, que debido a la
pequeña inercia de estos, pueden seguir instantáneamente cualquier variación de tensión.
Es de hacer notar que con el osciloscopio podemos realizar la medición de cualquier
variable valiéndonos de un transductor para transformar dichas variables en señales
eléctricas.
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4.1.1. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL OSCILOSCOPIO
HP1220A:
Este es el tipo de osciloscopio que utilizaremos con mayor frecuencia en nuestro
laboratorio, la descripción la haremos haciendo referencia a la Fig. 3. Dividiremos el
osciloscopio en tres secciones: Sección del tubo de rayos catódicos, sección horizontal
y sección vertical.
4.1.1.1. EL TUBO DE RAYOS CATÓDICOS (TRC):
Es el corazón del osciloscopio, en el que se gobierna la dirección de un
estrecho haz de electrones para “dibujar” la forma de una onda sobre una pantalla
fluorescente. El tubo en cuestión es una ampolla de vidrio en forma de embudo al
cual se le ha hecho el vacío y dentro de ella se han colocado diversos elementos,
como se muestra en la Fig. 4.
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Fig. 4
El extremo más ancho de la ampolla está recubierto por una delgada capa
de sustancia fluorescente (sulfuro de zinc) y constituye la pantalla. En la parte
estrecha del tubo está alojado el cañón de electrones, el cual dirige un “Rayo” de
electrones rápidos (Haz de electrones), de aproximadamente la misma velocidad,
a lo largo del tubo. El cañón está compuesto por los siguientes electrodos:
El cátodo (K), calentado indirectamente por el filamento (F), emite los
electrones (emisión termoiónica). La rejilla (G), que se mantiene a un potencial
negativo respecto al cátodo, regula la intensidad del haz electrónico y por
consiguiente la luminosidad o brillo de la imagen luminosa sobre la pantalla
(botón 2 de la Fig. 3). El primer Ánodo (A1), que se mantiene a un potencial
positivo respecto al cátodo, regula la concentración del haz sobre la pantalla. El
segundo ánodo (A2), que acelera los electrones.
El sistema rejilla-ánodo forma una “Lente electrostática convergente”
comparable a una lente óptica, que enfoca el haz sobre la pantalla (botón 3 de la
Fig. 2).
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Si el haz no es desviado en su marcha hacia la pantalla, golpeará a ésta en
su centro y una pequeña mancha luminosa (punto luminoso) aparecerá en ella. La
dirección del haz y por consiguiente, la posición del punto luminoso, puede ser
gobernada haciéndolo pasar a través de dos pares de placas situadas entre el
cañón y la pantalla. Estas placas son denominadas placas de desviación
horizontal (botón 5) y de desviación vertical (botón 23), ya que al aplicarles una
diferencia de potencial, los campos creados en cada par de placas actúan sobre
los electrones que forman el haz, desviándolos en sentido horizontal y vertical,
respectivamente. Los botones (5) y (23) están referidos en la Fig. 3.
4.1.1.2. SECCIÓN HORIZONTAL:
Esta sección está representada por los botones (9), (10), (11), (12), (13),
(14), (15), el conector de entrada (22) y las perillas (8), (6), (7), y (5), de la Fig.3.
4.1.1.2.1. BASE DE TIEMPO:
Supongamos que aplicamos una señal sinusoidal entre las placas de
desviación vertical (Placas Y). El punto luminoso se moverá rápidamente
hacia arriba y hacia abajo, sobre una recta vertical. A la mayoría de las
frecuencias usuales, el punto luminoso se mueve con demasiada rapidez
para se seguido por la vista, a causa de la persistencia en la emisión de luz
en la pantalla y sólo apreciaremos un trazo vertical continuo, si queremos
desplazar, simultáneamente a velocidad constante, el punto luminoso en
el sentido horizontal para ello conectamos las placas de desviación
horizontal (Placas X) a una fuente que nos proporcione una tensión que
aumente, gradual y uniformemente, desde cero hasta un cierto valor
máximo, para luego descender rápidamente a cero, como se muestra en la
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Fig. 5, de modo que el punto luminoso se desplace horizontalmente, a
velocidad constante y regrese repentinamente a su punto de partida. El
circuito que suministra esta tensión en diente de sierra está incorporado al
osciloscopio y se llama circuito de barrido, proporcionándonos una base
de tiempo en el eje horizontal.
Observando la Fig. 6, podemos comprender como “dibuja” el
osciloscopio una forma de onda sinusoidal aplicada a las placas de
desviación vertical. Si ambas tensiones (en X y en Y) parten de cero en el
mismo instante, el punto luminoso se mueve uniformemente hacia la
derecha, mientras que el movimiento vertical depende de la tensión
aplicada.
El resultado de componer estos dos movimientos es que el punto
luminoso traza sobre la pantalla un gráfico de la tensión en función del
tiempo.
Para “fijar” o inmovilizar una onda en la pantalla del osciloscopio, es
necesario que la frecuencia de barrido sea igual o un submúltiplo de la
frecuencia de la señal a inmovilizar.
Para que aparezcan en la pantalla dos o tres ciclos, las frecuencias
aplicadas al vertical deben ser el doble o el triple respectivamente de las
frecuencias de la base de tiempo. Así, si la frecuencia aplicada al vertical
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Tiempo
x
es de 1500 Hertz (Hz) y la frecuencia de la base de tiempo de 500 Hz,
aparecerán en la pantalla 3 ciclos.
La base de tiempo (perillas 6 y 7 de la Fig. 3) controla la longitud
horizontal (duración) de la imagen presentada en la pantalla, mientras que
la sección vertical controla su amplitud. La base de tiempo determina la
escala horizontal en segundos/división.
La escala de la base de tiempo está calibrada con una tolerancia de 4%,
con rangos que van desde 0,1 μs/div (micro-segundos/división) hasta 0,5
s/div pasando por mseg/div (milisegundos/división) en pasos de 1, 2, 5.
Fig. 6.
Sobre la escala de base de tiempo va un control variable o nonio (botón 7
de la Fig. 3) cuya finalidad es la de permitir el uso continuo de la escala
horizontal y no por pasos. Cuando el nonio está girando al máximo en el
sentido contrario al giro de las agujas de reloj (el nonio tiene una flecha
que indica el giro) la escala de la base de tiempo está calibrada. La figura
7, indica la base de tiempo con su respectivo nonio.
Fig. 7.
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4.1.1.2.2. CIRCUITO DE DISPARO:
Cuando al final de cada ciclo se anula la tensión en diente de sierra, el
punto luminoso vuelve repentinamente al punto de partida y la misma
gráfica se trazará en los ciclos subsiguientes. Para obtener una imagen fija
sobre la pantalla es necesario que la frecuencia de la señal aplicada al
vertical sea un múltiplo (entero) de la frecuencia de barrido, ya que de
otro modo el punto luminoso no trazaría siempre el mismo camino y la
imagen deslizaría o saltaría. Por tanto la tensión de barrido debe
sincronizarse con la señal aplicada a las placas verticales mediante el
circuito de disparo.
EL disparo (Trigger) es la función que permite la creación de imágenes
estables en la pantalla debido a la superposición adecuada de las muestras
de la señal, esto se obtiene por la propia determinación del instante en que
comienza la muestra de tiempo. Si el punto de disparo de cada muestra de
una señal periódica es exactamente el mismo, todas ellas estarán
exactamente superpuestas, dando una imagen estable de la señal. Si el
punto de disparo no es el mismo para todas las muestras, la superposición
de las mismas no coincide y la imagen es una mezcla de trazas (imagen
inestable) La figura 8, ilustra un ejemplo de una imagen estable y la Fig.
9, ilustra el caso inestable de la misma señal.
Fig. 8.
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Fig. 9.
La señal elegida como fuente de disparo (trigger source) deberá ser una
función temporal de la señal presentada en pantalla. La fuente de disparo
puede ser la misma señal, la señal de red eléctrica de alimentación o una
señal externa. Los botones marcados con los números (9), (10) y (11) en
la Fig. 3 (trigger source) permiten seleccionar el tipo de señal de disparo.
Las fuentes típicas son: INT (interna) (9) El disparo es obtenido de la
señal presentada. Linea (line) (10) El disparo es obtenido de una muestra
de voltaje de corriente alterna que alimenta el osciloscopio. Esta fuente de
disparo es muy útil cuando se observa el funcionamiento de circuitos de
fuente de poder (fuentes de alimentación), porque no se necesita un cable
de conexión adicional entre el osciloscopio y el circuito analizado.
Externo (EXT) (11) y externo ÷10 (15) en estas posiciones el disparo es
obtenido de una fuente de señal externa. La posición externo ÷ 10 (botón
(15)) provee una atenuación de diez veces para señales externas elevadas.
La señal de disparo externo debe introducirse en la pantalla horizontal
(terminal 22), X-Y (no es exactamente una función de disparo). Este
botón (14) (hacia adentro) permite obtener la representación de un
fenómeno en el plano X-Y. Para lograr este efecto la señal horizontal (x)
debe ser conectada al terminal de entrada vertical (y) marcado con el
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número (18), bien que utilicemos el canal A o el canal B. Esto permite
hacer comparaciones de las frecuencias de dos señales usando las figuras
de Lissajous, como veremos más adelante.
Una vez que la fuente de disparo ha sido seleccionada, lo que queda es
definir el punto de la señal en que comienza la muestra. Este punto de
disparo está determinado por la amplitud o nivel (perilla 8) y la pendiente
(positiva o negativa) de la señal observada, el usuario puede elegir que la
imagen de la misma comience en la parte creciente o decreciente de la
misma utilizando el botón (13). El signo (+) indica disparo en la parte
creciente y el signo (-) indica disparo en la parte decreciente (botón hacia
adentro).
El control de nivel de disparo (perilla 8) selecciona la amplitud del punto
de la señal en que comienza la muestra. La Fig. 10 indica la selección del
punto de disparo. Es de hacer notar que el control de nivel de disparo
trabaja en modo automático en la mitad del recorrido del potenciómetro
(8) (auto).
Fig. 10.
El botón (12) determina la naturaleza del disparo, hacia fuera opera en
modo normal y hacia adentro (TV) el circuito separador de sincronismo
TV es habilitado y el osciloscopio dispara sobre un cuadro de 100 μs ó 50
μs, sincronizando la señal de video aplicada al canal A o B.
El potenciómetro (5) completa el último elemento de la sección
horizontal, el objetivo de este potenciómetro es el de mover el haz forma
horizontal.
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4.1.1.3. SECCIÓN VERTICAL:
El osciloscopio en cuestión tiene dos canales verticales denominados (A)
y (B). La escogencia de los mismos se lleva a cabo con los botones (21).
Explicaremos uno de los canales, el (B). Cualquier fenómeno variable que pueda
ser convertido a voltaje, puede ser medido con un osciloscopio. El voltaje
desconocido deberá conectarse a la sección vertical del mismo usando el conector
de entrada (input) (18), ésta es la entrada usual del aparato. La impedancia de
entrada del osciloscopio detallado es de 10 MΩ con un voltaje máximo de
entrada de 400 V p.p. y una tolerancia del 3%.
4.1.1.3.1. ACOPLAMIENTO DE ENTRADA (INPUT COUPLING):
Los botones de control de acoplamiento de entrada (16) y (17) determinan
la forma como la señal de entrada es conectada a la sección vertical del
osciloscopio. Estos botones tienen 3 posiciones: Tierra (botón (17)), corriente