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MODULO 1: Exper1 M1-12.doc Fuentes de tensión y corriente ideales

- Fuente de tensión ideal: Una fuente de tensión ideal es aquella que presenta en sus terminales una determinada fuerza electromotriz V (voltios) que no varía con la corriente IL que se le extrae. O sea que es independiente de la carga RL en sus bornes. RL representa la resistencia de entrada del circuito alimentado y viene definida en función de la tensión y corriente a través de él: RL= VL/IL. Podría ser el circuito de una radio, un motor, una lámpara, un calefactor . El esquema circuital y el diagrama VL-IL son los siguientes:

nota: En la jerga electrónica cargar un circuito significa sacarle corriente. Se dice que el circuito está más cargado cuanto más corriente se le extrae, o sea cuando menor es RL. Por lo mismo, a la carga del circuito se

le suele denominar RL , donde el subíndice L viene de load (carga en inglés). RL Rload .

Para representar una fuente de tensión ideal como elemento de un circuito eléctrico se pueden utilizar distintos símbolos dependiendo de que tipo sea:

fuente de tensión continua: fuente de tensión alterna:

- Fuente de corriente ideal: Una fuente de corriente ideal es aquella que entrega por sus terminales una corriente IL que no varía con la tensión VL desarrollada a través de los mismos. O sea que es independiente de la carga RL que exista entre bornes. El esquema circuital y el diagrama VL-IL son los siguientes: Los símbolos que la representan son:

fuente de corriente continua: fuente de corriente alterna:

Fuentes de tensión y corriente reales:

- Fuentes de tensión reales: Las fuentes de tensión reales (pilas, baterías, fuentes de alimentación de laboratorio, generadores de señales, tomas de línea de 220V, etc) experimentan una caída de su tensión en vacío (en circuito abierto,

RL= ) cuando se les extrae alguna corriente. Es como si las fuentes tuvieran en serie con ellas una resistencia interna RS ó Ro (resistencia de fuente Rsource ó de salida Routput ) sobre la cual se produce una caída de potencial cuando entregan corriente (en una fuente ideal Rs = 0 ). Esta limitación lleva a plantear un modelo equivalente para las fuentes de tensión reales.

V = Vm sen t V

I I = K I

I = Im sen t

+ VL

- IL

VL

K

IL

RL

+

- V

_ _ +

V V = K

V+

-

+

_V

VL

IL IL

K + VL

_

RL

I

2

IL

+ VL

_

+

- Vo

Rs

RL

VLmáx

IL

Io

VL

Del circuito podemos ver que:

L

LS

O

LLLR

RR

VRIV .. para RL >> RS ; VL tiende a Vo y para RL= (o sea a circuito abierto) , VL = Vo

RL= es la carga ideal para una fuente de tensión real.

La curva de VL en función de IL es:

VL = Vo – IL .RS

[ a mayor Rs mayor pendiente]

nota:

Las fuentes de tensión reales tienen una capacidad limitada de entregar corriente (ILmáx) que viene dada

por su resistencia interna y por la potencia máxima que puede disipar.Si se supera este valor se pueden

dañar. O sea que existe una RLmín para su correcto funcionamiento.

- Fuentes de corriente reales: Las fuentes de corriente reales también experimentan una variación de la corriente de salida cuando se modifica la carga. Es como si parte de su corriente se derivara a través de una resistencia interna RS de la propia fuente. En este caso el modelo equivalente que tiene en cuenta este comportamiento es el siguiente: Del circuito podemos ver que:

S

LS

O

L

L

L

L

LR

RR

I

R

RRI

R

VI .

)//(00

para RL << RS IL tiende a Io y para RL= 0 (cortocircuito) , IL = Io

RL=0 es la carga ideal para una fuente de corriente real. La curva de IL en función de VL es:

IL = Io – VL / RS [a menor Rs mayor pendiente]

nota:

Las fuentes de corriente reales tienen una capacidad limitada de tensión (VLmáx) en sus bornes, si se

supera este valor se pueden dañar. O sea que existe una RLmáx para su correcto funcionamiento. Por lo tanto

es aconsejable que nunca quede con sus bornes sin carga (RL= ). La carga ideal es RL= 0 cortocircuitada.

Vo es la fem de la fuente

RS es la resistencia interna equivalente de la fuente real

IL es la corriente entregada a la carga

VL = Vo – IL .Rs es la tensión de salida de la fuente real

+ VL

_

IL

RL

Io

RS

Io es la corriente de la fuente

RS es la resistencia interna equivalente de la fuente real

VL es la tensión desarrollada en la carga

IL = Io – VL / RS es la corriente de salida de la fuente real

ILmáx IL

VL

Vo

3

+ -

V - I

V

Fuentes de alimentación de laboratorio: Las fuentes de laboratorio poseen dos terminales de salida (+) y ( -) entre los cuales aparece una tensión V ajustable entre cero y un valor máximo. Suele haber un tercer terminal conectado a la carcaza o chassis de la fuente, el cual también está conectado al terminal de tierra del enchufe, su símbolo es: La estabilidad de tensión es función de la corriente de carga, de las condiciones ambientales (temperatura, humedad) y del tiempo (estabilidad a largo plazo). Las cifras que miden estas variaciones forman parte de las especificaciones y se suelen dar como un porcentaje de variación de la tensión de salida por unidad de cambio de la variable por ejemplo: 0.01% / ºC (coeficiente de Tº) ó 0.01% / V (regulación de línea). Algunas fuentes tienen un límite de corriente fijo y, si una eventual condición de carga intenta superarlo, automáticamente se cortan o no entregan más que dicho valor máximo. Este tipo de fuentes se conocen como de “tensión constante / corriente limitada “ : CVCL (Constant Voltage -Current Limited). Otros modelos funcionan en el modo de “tensión constante” o de “corriente constante”. Se conocen como

CVCC (Constant Voltage –Constant Current). Que trabaje en un modo u otro dependerá de los valores

seleccionados (seteados) de tensión y corriente y de la resistencia de carga RL

Poseen una perilla para el ajuste de tensión y otra para el ajuste de

corriente . Generalmente cuentan además con un instrumento de

medición que mide tanto tensión como corriente, dependiendo de la

posición de la llave V-I . El ajuste o seteo de Vo e Io se realiza de la siguiente manera:

Ajuste de la tensión de salida Vo :

Se deja la fuente sin carga, o sea a

circuito abierto (RL = ) y se ajusta al valor de V deseado, midiendo el mismo con el instrumento trabajando como

voltímetro.

selección de medición de tensión: V

ajuste de tensión terminales a circuito abierto

Ajuste de la corriente de salida Io :

Se pone la salida en cortocircuito (RL =0) y se ajusta al valor de I deseado, midiendo el mismo con el instrumento trabajando como amperímetro.

selección de medición de corriente: I

ajuste de corriente

terminales en cortocircuito

Los valores seteados de tensión Vx y corriente Ix , determinan un valor de resistencia de carga denominado

“Resistencia Crítica” Rcrít = Vx / Ix. Dependiendo de que la resistencia de carga RL sea mayor o menor que

Rcrít , es que la fuente se comportará como de tensión constante o corriente constante respectivamente. Otra manera de ver el funcionamiento es la siguiente: Una vez fijados los valores de corriente Ix y de tensión Vx , la fuente trabajará en modo ”Tensión Constante” o “Corriente Constante”, dependiendo que a su salida se llegue antes a un valor u a otro (lo cual depende de RL).

De tal manera, que nunca se excederán los valores de ajuste.

Ejemplo: si se fijó: Vx = 10v ; Ix =100mA y ponemos una carga RL= 50 tenderá a circular por la misma una

IL =10V/50 = 200mA como esto es mayor a los 100mA seteados, la corriente no superará dicho valor con lo

cual la tensión a la salida caerá a: 100mA . 50 = 5V El siguiente diagrama permite distinguir las dos zonas de funcionamiento divididas por la recta de Rcrít. La de tensión constante para RL>Rcrít. y la de corriente constante para RL<Rcrít.

+ -

V - I

I

4

Vo

Io

Vx

Ix

Rcrít.

Vmáx

Imáx

RL> Rcrít.

RL< Rcrít.

Teorema de la máxima transferencia de potencia: Se quiere saber en un circuito resistivo, cuál es el valor de resistencia de carga RL sobre la que obtendríamos la máxima transferencia de potencia desde un circuito genérico que, podemos representar por una Vthevenin y una Rthevenin equivalentes. Para ello analizamos el siguiente divisor de tensión cargado con una resistencia RL. Teniendo en cuenta que PL = VL. IL , veamos qué sucede en casos extremos:

El máximo se presenta en algún valor entre estos dos extremos. Puede demostrarse fácilmente que ese valor coincide con el de Rth, y la potencia transferida a RL resulta ser:

Pmáx = I2. RL = (vth / 2Rth)

2 . Rth ; Pmáx = V

2th / 4Rth

O sea que la máxima transferencia de potencia - desde la fuente hacia la carga - se dará cuando esta tenga un valor igual a su resistencia interna o equivalente(Rth).

Nota: generalización para circuitos con impedancias Z =R + jX. Se demuestra que la máxima transferencia de potencia se cumple cuando las impedancias de Thevenin y de carga son conjugadas:

LthZZ

ó Rth + jXth = RL - jXL

Vo : tensión de salida variable entre 0 y Vmax

Io: corriente de salida variable entre 0 e Imax

Vx : valor de ajuste de tensión realizado con la salida

de la fuente a circuito abierto ( RL= io = 0).

Ix = valor de ajuste de corriente efectuado con la salida

en cortocircuito (RL=0 vo = 0).

Rcrít.= Vx / Ix marca el límite de funcionamiento entre los modos V constante e I constante. Si la resistencia de carga RL es mayor que Rcrít. opera en el modo V constante, si es menor en modo I constante.

+ VL

_

b

a

+

- Vth

Rth

RL

RL = 0 : En ese caso la corriente será máxima e igual a Vth/ Rth pero la tensión VL es nula y por lo tanto también la potencia.

RL = : Ahora la tensión VL será máxima (Vth ) pero la corriente nula, dando nuevamente como resultado potencia cero.

5

V1 R1

70%

XMM1

Multímetro Digital (DMM)

Los multímetros digitales DMM (Digital Multi Meter) son instrumentos que miden múltiples magnitudes analógicas dando el valor de la medición a través de un número de x dígitos. Son el instrumento más adecuado para medir tensiones e intensidades -en continua y alterna- (frecuencia por debajo de las centenas de khz) y resistencias. Hay multímetros que permiten medir además otras magnitudes como frecuencia capacidad y probar diodos. Consisten básicamente de un amplificador de tensión continua A cuya salida es proporcional a la magnitud a medir. [En un amplificador la relación entre la tensión de entrada Vi y la de salida Vo es : Vo = Vi. A . La misión del mismo en este caso es adaptar la tensión de entrada Vi a los niveles de tensión que necesita la etapa siguiente, el ADC. La magnitud a medir (tensión, corriente o resistencia, etc.) se

transforma siempre – por distintos medios- a una tensión vi que es a su

vez la entrada al amplificador A , cuya tensión de salida vo se

transformará a un valor digital XX mediante un conversor analógico-

digital ó ADC (Analogic to Digital Converter). Este valor luego se envía para su lectura a un display digital.

En los Multímetros existe una llave selectora de la magnitud a medir: V; A; ; con posiciones distintas para alterna o continua en tensión y corriente. Para cada una de estas magnitudes pueden haber distintos rangos o ser Autorrango. Generalmente hay diferentes terminales de entrada dependiendo de la

magnitud a medir. Usualmente los terminales para tensión V y resistencia coinciden, no así el de corriente A

que es diferente. Todas las magnitudes se miden siempre respecto al terminal común COM.

Existen en el mercado circuitos integrados como el ICL7126 de 3

1/2 dígitos (u$s7.5) que contiene el

amplificador y el ADC. Sólo hay que agregarle la adecuación de la señal de entrada y el display digital.

DMM como Voltímetro: Mide tensión continua y alterna. El DMM se coloca en paralelo con la carga a medir. Las tensiones que necesitamos medir (VX) suelen ser mayores a la máxima admisible en la entrada del amplificador A. La solución es atenuarlas para eso el DMM utiliza un divisor de tensión interno R1 , R2. Cuando se cambia de rango (200mv; 2V; 20V; etc.) se está cambiando el divisor. La forma de conectarlo y el diagrama en bloques del multímetro en el modo Voltímetro son los siguientes:

Se cumple que: vx = i1 R1 + vi y puesto que el amplificador prácticamente no toma corriente: I i 0

vi = i1.R2 con i1 = vx /(R1 + R2) vi = vx .R2 / (R1 + R2 )

vx es la tensión que se quiere medir y vi es la fracción de la tensión que ingresa al amplificador de tensión.

I i 0

+ vi

_

+ vo=A.vi

_

A ADC

Conversor Analógico a Digital

_

Amplificador de tensión continua

_

Display Digital

_

XXX

(número proporcional a vi)

I i 0

COM

V -

+ vi

_ vo

A ADC

R1

R2 vx

i1

6

En los DMM comerciales la suma de R1 y R2 , conocida como resistencia de entrada del voltímetro (Rin), vale

10M . independientemente del rango de medición seleccionado. En un voltímetro ideal Rin = , para no interferir en el circuito en que se efectúa la medición.

. Medición de tensión alterna (valor eficaz):

El amplificador A es de tensión continua, luego para medir tensión alterna se implementa lo siguiente: A continuación del divisor resistivo de entrada, se convierte la señal de alterna a continua, mediante un

rectificador de onda completa (no dibujado). Este valor de continua es el que internamente mide el voltímetro pero no el que se muestra en el display digital . Veamos a que corresponde esta lectura.

La mayoría, de los multímetros está calibrado para dar una lectura en valores eficaces de una onda senoidal. En una onda de este tipo sus valores eficaces y medio son :

Vef = Vmax / 2 ; Vmed = 2Vmax / Se define “factor de forma” K de una onda alterna a la relación: K = Vef / Vmed , p/ una senoidal K=1.11

Vef =1,11 . Vmed

Por lo tanto para obtener la lectura en valores eficaces, al valor rectificado ( Vmed ), el multímetro lo multiplica internamente por 1,11 ¿Qué sucede si la onda de entrada no es senoidal?. En ese caso tendrá un factor de forma K´ diferente, por lo tanto la lectura será errónea, luego habrá que afectarla por un coeficiente que dependerá del tipo de onda. La lectura del instrumento será:

Vef lectura = 1,11 Vmed x Vmed x = Vef lectura / 1,11 ; por otro lado K´ = Vef x / Vmed x

Vef x = K´ .Vmed x = K ´. Vef lectura / 1,11 el coeficiente será: K´ / 1,11

La frecuencia máxima de la tensión alterna depende del multímetro, generalmente está en el orden de las decenas de khz. Precaución: Por ningún motivo debe excederse el máximo valor de tensión dado por el fabricante. Generalmente el mismo viene indicado entre los terminales de medición V y COM por ej.:

1000V= (para continua) ; 750V (para alterna).

Otra precaución importante, para cuando se trabaja con alta tensión ( 500V), es el máximo voltaje que puede existir entre la carcaza y el COM del multímetro. Este valor máximo suele venir indicado de la siguiente manera:

DMM como Amperímetro: En este caso se debe abrir el circuito e intercalar el DMM. La corriente a medir se transformará en una tensión al pasar por un resistor (Rshunt ) que está en paralelo con la entrada del amplificador de tensión. La forma de conectarlo y el diagrama en bloques del multímetro en modo amperímetro son los siguientes: ix: corriente que se quiere medir

vi = ix . Rsh : caída de tensión en los bornes de entrada del DMM, proporcional a ix

¡Si se supera este valor puede producirse un arco de corriente entre el terminal COM y la carcaza perforando la misma, con el consiguiente peligro para el instrumento y para el operador si este está en contacto con el mismo!

500V MAX

COM

XXX proporcional a ix)

ix

A

COM

I i 0

ADC

vi vo

A

Rsh

ix

V1 R1

70%

XMM1

ix

7

Al cambiar el rango de medición, internamente se cambia el valor de Rshunt la cual es mayor mientras menor

sea el rango de seleccionado. Valores típicos de Rshunt van desde 1.1 (para Amp) a 1200 (para mA). Vemos

que para algunos rangos el DMM como amperímetro, se aleja bastante de un amperímetro ideal de Rin = 0 Precaución: Por ningún motivo debe excederse el máximo valor de corriente dado por el fabricante. Generalmente el mismo viene indicado entre los terminales de medición I y COM por ej.: 400mA y 10A (para el terminal de grandes corrientes). Si se comete el error de querer medir una tensión teniendo las puntas de medición en los terminales de corriente se puede destruir el instrumento ya que Rsh suele ser muy pequeña y estaríamos haciendo casi un cortocircuito de la tensión a medir, con la consecuente circulación de alta corriente a través del Multímetro. Por lo que se recomienda NUNCA dejar el multímetro con su punta puesta en el borne de medición de corriente. DMM como Óhmetro: En este caso el multímetro tiene implementada una fuente de corriente I. La misma pasa por la resistencia a medir generando una caída de tensión que es la que luego mide el DMM . Al cambiar de rango, internamente se cambia el valor de la fuente de corriente, tanto más pequeña cuanto mayor sea el rango seleccionado de resistencia a medir. No se debe medir resistencia cuando hay tensión externa sobre Rx. Se recomienda desconectar al menos una pata de la misma para medir correctamente.

vi= I. Rx la tensión de entrada al amplificador es proporcional a la resistencia medida.

. Lectura Digital: La resolución de los instrumentos digitales depende de la cantidad de dígitos que posean. Así un multímetro de 4 dígitos tendrá una resolución de 1/9999 (0,01%). [9999 es la máxima lectura] Es común encontrar instrumentos de X dígitos y medio. Significa que el dígito más significativo sólo puede tomar los valores 0 ó 1. Ejemplo: 3

1/2 dígitos, así tendremos en el display 4 dígitos y el máximo valor que

podemos tener es +/- 1999 (la resolución será 1/1999).

. Exactitud de la medición: Se especifica como un porcentaje de la lectura, mas X dígitos. Ejemplo: +/- (0,01% de la lectura + 2díg.). Luego si la lectura es de 10.5V y la especificación es la anterior, será:

+/- 0,01%.10.5V = +/- 0.00105V y +/- 2díg. +/- 0.2V El voltaje verdadero estará entonces entre: 10.5V - (0.2V + 0.00105V) =10.29895V y 10.5V + (0.2V + 0.00105V) = 10.70105V 10.29895V < Vreal < 10.70105V Luego, por la incerteza de los últimos dígitos es que conviene medir siempre en el rango más cercano a la magnitud incógnita. Una lectura de 16.25V en el rango de 20V es más precisa que una de 16.2V en el rango de 200V.

I i 0

COM

I

V - ADC

XXX (proporcional a Rx)

vi vo

A

Rx I

XMM1

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OSCILOSCOPIO

Para observar la evolución temporal de una señal de tensión (analógica o digital), se puede usar un

osciloscopio; la mayoría de estos requiere que dicha señal sea periódica, tal que puedan "dibujarla" de manera precisa en la pantalla. No obstante, existen osciloscopios especiales, como ser los digitales, capaces de representar una señal no repetitiva; para ello disponen de algún sistema de memoria. El osciloscopio cuenta con un tubo de rayos catódicos, en cuya pantalla se puede ver tal evolución. En el interior del mismo, hay un cañón de electrones emitiendo constantemente un haz centrado (que produce un punto luminoso en la pantalla) y dos juegos de placas deflectoras, las horizontales y las verticales. El esquema del tubo de rayos catódicos es el siguiente:

Al aplicar una diferencia de potencial a un par de estas placas, se obtiene un campo eléctrico que actúa sobre los electrones del haz, el cual provoca el desplazamiento del punto luminoso sobre la pantalla. Como el haz que incide en la pantalla casi no tiene inercia, es capaz de seguir a señales que cambian muy rápidamente (Mhz).

La señal vs que deseamos visualizar la aplicamos al par de placas de desviación vertical. Supongamos que vs

es senoidal. Tendríamos entonces al haz de electrones subiendo y bajando a la frecuencia de la misma,

visualizando en la pantalla una línea vertical centrada, de tamaño proporcional a la amplitud pico a pico de vs

Para ver como evoluciona la señal temporalmente, el instrumento dispone de una "base de tiempo", cuya función es desplazar a velocidad uniforme el punto luminoso del haz, de izquierda a derecha de la pantalla. Para ello la base de tiempo suministra a las placas de “desviación horizontal” una tensión que varía linealmente, llamada diente de sierra o rampa. Ahora tendremos simultáneamente en las placas de desviación vertical (Y) la señal a visualizar vs y en las placas de desviación horizontal (X) la diente se sierra.

Supongamos para simplificar, que la duración de ambas señales es

la misma. Así, para el punto 0 de la rampa, la señal estará en el

extremo izquierdo de la pantalla y para el punto 4 en el extremo derecho. Al tener ambas señales la misma frecuencia veremos en la pantalla un ciclo entero que comienza siempre en el mismo punto, similar a una imagen detenida. Mientras mayor sea la frecuencia, mayor será la intensidad luminosa de la imagen en la pantalla. Si la rampa y la senoidal no fueran de idéntica frecuencia estaríamos en un problema. Veamos la figura de abajo. Al no ser ambas de la

misma frecuencia, la rampa - en su inicio- toma a vs siempre en un

punto diferente de su forma de onda (el indicado por las flechas). Ahora los puntos de comienzo de la onda en la pantalla serán diferentes unos de otros y por lo tanto se verá

una onda distinta en cada barrido de rampa. A 100hz sería imposible de visualizar detalladamente vs. Se verían

en 1 segundo 100 imágenes diferentes y no una imagen “detenida” como se desea.

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En el caso de sincronismo externo, el mismo se hace a través de una señal que de algún modo tenga que ver

con la onda a observar, por ejemplo la señal de reloj de un circuito digital. El caso de sincronismo de Línea es para aquellas señales que están vinculadas a la frecuencia de línea (50Hz). En todas las opciones se tiene la posibilidad de elegir el nivel de disparo (Level) y la pendiente (Slope) - positiva o negativa – de la señal de Trigger que dará inicio a la rampa. Veamos 2 ejemplos. Supongamos que elegimos sincronismo interno. Entonces cuando la señal de Trigger (en este caso la misma que la onda a observar) tenga el nivel y la pendiente seleccionados se disparará la rampa de barrido. En las siguientes figuras vemos: en (a) que se seleccionaron nivel y pendiente positivos y en (b) nivel y pendientes negativas. En la pantalla se verá sólo el intervalo de senoidal que dura cada rampa. señal de Trigger (coincide con vs )

fig. (a) fig. (b)

También se observa que existe un tiempo muerto en que la rampa está detenida, es el que transcurre hasta alcanzar nuevamente las condiciones de disparo fijadas. Durante dicho tiempo el haz se interrumpe. Otro control que existe para el disparo de la rampa es el que viene definido por los modos AUTO o NORMAL. Si está en modo AUTO (auto-trigger) la rampa de barrido existe siempre, haya o no haya señal de Trigger, con lo cual siempre veremos en la pantalla una onda (o, una línea horizontal si no existe señal de entrada). Si está en modo NORMAL habrá una rampa de barrido solamente si existe una señal de Trigger que cumpla con los valores elegidos de nivel y pendiente. Este modo se suele utilizar para detectar una onda que cumpla con las condiciones de Trigger impuestas. Hoy día los osciloscopios cuentan al menos con dos canales de entrada: CH1(channel 1) y CH2 (channel 2). Se puede elegir ver un solo canal o ambos, para esto el osciloscopio cuenta con un selector de modo: CH1, CH2 o ALT. El último modo se llama alternado (ALT) porque se ven los canales en forma alternada, de a uno a la vez. El cambio de un canal a otro se produce con cada nuevo barrido. Así para barridos lentos (rampa de baja frecuencia) veremos en la pantalla una señal a la vez y para barridos mas rápidos como si estuvieran ambos canales en forma simultánea. Ahora, si seleccionamos para el Trigger: Sincronismo Interno, tendremos que elegir con qué canal se realiza el mismo, luego, las señales visualizadas estarán con referencia a este canal ya que siempre la rampa será disparada en sincronismo con él. Este es el modo indicado para poder medir por ej. desfasaje entre dos ondas, viendo a cada una en un canal diferente, fig. 1. Existe otro modo de visualizar que se llama vertical mode, en el cual la rampa es sincronizada con la señal del canal que se ve. Este modo no sirve para medir una onda con relación a la otra ya que se verá que ambas comienzan siempre a la vez . fig. 2

Debemos entonces sincronizar la señal Vs con el comienzo del barrido de la rampa. Para lograr esto, es que existe un Circuito de Disparo ó Trigger, el mismo dispara la rampa a partir de un determinado nivel (level) de una dada señal. Esta señal de Trigger, puede ser externa o interna dependiendo dónde se genere la misma. Se tienen así las siguientes opciones de sincronismo o Trigger: Externo, Línea e Interno. En el último caso, de uso mas común, la señal de Trigger es provista por la misma señal Vs a visualizar.

t

nivel negativo de disparo pendiente negativa

nivel positivo de disparo pendiente positiva

fig. 1 fig. 2

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La siguiente imagen ilustra los controles básicos de un osciloscopio analógico:

Canales de entrada:

La impedancia típica de entrada de un osciloscopio está formada por una resistencia de 1Mohm en paralelo con un capacitor de 20 picofaradios. La señal de entrada llega a un amplificador A que le modifica su amplitud y cuya ganancia es seleccionada por un llave calibrada en VOLTS/DIVisión (refiriéndose a las divisiones de la pantalla). Valores típicos van de 5V/div (mínima sensibilidad o amplificación) a 5mV/div (máxima). Podemos así medir la amplitud de la señal.

Se pueden elegir tres modos de entrada DC , AC y GND , como se ve en la siguiente figura:

En DC la señal pasa al amplificador tal como viene. En AC el osciloscopio intercala en serie con la señal un capacitor que impide el paso de su componente de contínua, se usa en el caso de que sólo nos interese ver las

variaciones de la señal. En GND la entrada del amplificador es puesta a masa sin afectar a la señal de entrada; esta opción se suele usar para poder ubicar el haz en un lugar deseado de la pantalla.

Base de Tiempo:

Existe una perilla encargada de seleccionar la duración de la rampa de barrido horizontal. Mientras menor sea su duración mayor podrá ser su frecuencia y más rápido es el barrido con lo que podremos ver mejor, señales de alta frecuencia.

20pF

Canal de entrada

DC

Rin=1M

A

AC

GND

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En las siguientes figuras vemos en la parte superior la rampa de barrido y en la inferior la señal de entrada de frecuencia fs. Mientras mayor sea la duración del barrido con respecto al período de la onda a visualizar, mayor será la cantidad de ciclos observados. [Las sig. ondas tienen diferentes niveles de Trigger]. TRampa = 10 x 0,1ms/DIV fs = 500Hz fs = 1Khz fs = 10Khz La llave está calibrada en tiempo/división: TIME/DIV, con lo cual es posible medir tiempos en el eje X.

En la figura anterior el barrido es de 0.1ms/DIV. Valores típicos van desde 5seg/div a 0.2 s/div. Este último valor tiene relación con la máxima frecuencia de señal que puede visualizarse. Así, existen osciloscopios que van desde 20Mhz hasta 500Mhz; estos últimos son digitales y mucho mas caros.

X-Y: Al tener dos canales de entrada, es posible ver como evoluciona una señal en función de la otra seleccionando el modo X-Y en la base de tiempos. En este modo queda desactivada la rampa, el barrido lo

lleva a cabo la señal que entra por el canal 1 que corresponde a X mientras que el canal 2 corresponde al Y Precauciones en el manejo del Osciloscopio:

- Hay una tensión máxima permitida a su entrada, la cual nunca debe ser excedida ( 200V de pico).

- Ambos canales tienen un terminal común (masa) por lo que siempre hay que ver las dos señales con

respecto al mismo voltaje de referencia, sino corremos el riesgo de alterar el circuito bajo medición. Ej.: en la medición de la izquierda estaríamos cortocircuitando la resistencia R a través de la masa.

¡¡ MAL !! ¡¡ BIEN !!

- La masa de los canales de entrada, coincide con el chassis (carcaza) del osciloscopio, que está

conectada al terminal de tierra del enchufe. Luego, hay que ser muy cuidadoso si se quiere observar

una señal referida a la alimentación de línea (220Vac). Podríamos hacer un cortocircuito a través de la carcaza si colocamos la masa de la punta de medición al vivo de los 220Vac. Y, en el caso de usar un enchufe de dos patas, podría quedar la carcaza al vivo ¡¡con el consecuente peligro para el operador!!

L

Vs

R

C

Ch2

Ch1

Ch1

C

R

Vs

L

Ch2

masa

Carcaza

Ch1 Ch2

220Vac

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Osciloscopios Digitales: Los osciloscopios digitales no cuentan con un tubo de rayos catódicos. En ellos se toman muestras de la señal que se desea visualizar, cuantifican su valor y almacenan el resultado numérico en una memoria hasta tener un número de puntos suficientes para representar la señal en la pantalla Entonces convierten cada número almacenado en una tensión analógica que se representa como la ordenada de un punto en la pantalla (de cristal líquido LCD). La abscisa de cada punto en la pantalla está relacionada con el instante relativo en el que se tomó la muestra respecto a un punto de referencia. La representación no es por lo tanto en tiempo real. La gran ventaja de los osciloscopios digitales es que gracias a la memoria interna puede mostrar señales no-repetitivas. Además los mismos poseen muchas funciones adicionales que permiten dar datos extras de la señal como frecuencia, valores máximo, mínimo, pico a pico u otros como valor medio, eficaz, FFT, etc, gracias a la capacidad de realizar procesamiento matemático de los puntos adquiridos. Un criterio importante para clasificar los distintos tipos de osciloscopios, sean analógicos como digitales es la frecuencia máxima admisible para la señal de entrada. Según esto hasta 20MHz, se habla de osciloscopios de baja frecuencia; hasta 4GHz de alta frecuencia y de muy alta frecuencia hasta 50GHz. .

Esquema Interno de un Osciloscopio Analógico:

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Generadores de Señal

La necesidad de contar con fuentes de señales de distinto tipo y características hace del uso frecuente en los laboratorios de generadores de señal . Es difícil hacer una clasificación dado que muchas de sus prestaciones son comunes. Sin embargo, atendiendo a las áreas de aplicación, se pueden distinguir los siguientes tipos: generadores de audio; generadores de función; generadores de pulsos y generadores de radio frecuencia. A continuación damos un resumen de las características más importantes de cada uno de ellos. Generadores de audio :

Forma de onda: entregan esencialmente onda senoidal de muy baja distorsión (típicamente 0.05%). También pueden proveer ondas cuadradas.

Frecuencia: cubren el rango de 20Hz a 20kHz, algunos modelos pueden llegar hasta 100kHz.

Impedancia de salida: 600 .

Area de aplicación: laboratorios de audio. Generadores de función:

Forma de onda: triangular, rampa, rectangular y pulso. Onda senoidal conformada (distorsión 0.5%). Todas con nivel de contínua (DC offset ) ajustable.

Frecuencia: desde 0.001Hz hasta 40MHz

Barrido en frecuencia: linear y logarítmico.

Modulación: en amplitud y frecuencia.

Impedancia de salida: 50 .

Area de aplicación: Pruebas de amplificadores; ensayo de estabilidad, distorsión y respuesta de servo-sistemas; generador de propósitos generales. Generadores de pulsos:

Forma de onda: pulso rectangular

Frecuencia: desde 100Hz hasta 250MHz

Duración de pulso: variable desde 2ns hasta 5ms algunos con posibilidad de variar los tiempos de subida (rise time) y bajada (fall time)

Período de repetición: desde 4ns hasta 10ms

Disparo externo (trigger)

Impedancia de salida: 50

Area de aplicación: Electrónica de alta velocidad (nuclear) y digital Generadores de radio frecuencia:

Forma de onda: senoidal

Rango de frecuencias: depende de las bandas

Modulación de amplitud: desde 0% hasta 95%

Impedancia de salida: 50

Area de aplicación: prueba y alineación de equipos de recepción y transmisión en RF.

Bibliografía: Instrumentos Electrónicos Básicos – R. Pallás

Onda larga (LF) 100 - 500kHz

Onda media (MW) 500 - 3000kHz

Alta frecuencia (HF) 3000 - 30000kHz

Muy alta frecuencia (VHF) 30 - 300MHz

Ultra alta frecuencia (UHF) 300 - 1000MHz Microondas + de 1000MHz (1Ghz)