Funcionamiento de un osciloscopio
- 1. Nataly Montejo Física experimental II Funcionamiento de un osciloscopio (practico 5) Objetivo: Con este experimento se pretende analizar la carga y descarga de un condensador en un circuito en serie y paralelo, el sistema está compuesto por condensador, resistencia y generador de ondas. Se analizará mediante el uso de un osciloscopio. Palabras clave: Física, experimentos, electricidad, condensador, resistencia, paralelo, serie, osciloscopio, Hz. Introducción En las actividades experimentales de la formación docente de segundo año que realiza el Consejo de Formación en Educación (CFE), se recomienda investigar sobre circuitos eléctricos y capacitores. En nuestro experimento se procede a utilizar un condensador y una resistencia conectados en paralelo y luego en serie para así poder analizar el comportamiento de la carga y y descarga del condensador. Para poder estudiar los datos que obtendremos a través de nuestro experimento utilizaremos el osciloscopio el cual aprenderemos a usar e interpretar los datos que nos aporta. Metodología/ Procedimiento: Crearemos un circuito dónde tenemos un condensador y una resistencia, utilizamos también un generador de ondas para entregarle energía a nuestro circuito, conectaremos el positivo de la fuente al positivo del capacitor, el capacitor lo conectamos a la resistencia y cerramos el circuito. Lo que haremos a continuación será conectar el osciloscopio a la entrada del dispositivo para verificar si tenemos algún tipo de onda, que sería la onda cuadrada aquella que nos permita analizar la carga y descarga del capacitor. Con el generador de ondas crearemos una onda sinusoidal de 50 Hz, calibramos el osciloscopio primero ponemos graunt, cuando está listo lo ponemos en DC (salida de corriente continúa) y empezamos a buscar amplitudes y frecuencias que nos permitan medir la presencia de una onda creada por el dispositivo. Con el osciloscopio podemos cambiar a una onda cuadrada, cambiar la amplitud, cambiar el período a uno que nos permita visualizar mejor los datos que necesitamos. Luego se procederá a visualizar cómo se comporta el capacitor conectado en serie y en paralelo. Materiales: Osciloscopio Generador de ondas Capacitor Resistencia Cables
- 2. Nataly Montejo Física experimental II El osciloscopio Un osciloscopio es un tipo de instrumento de pruebas electrónico, y sirve para mostrar y analizar el tipo de onda de señales electrónicas. Además, este dispositivo dibuja una gráfica que representa señales eléctricas, las cuales varían con el tiempo. Un osciloscopio comúnmente puede mostrar formas de onda de corriente alterna (AC) o corriente directa (DC) con frecuencias desde 1hertz (Hz) hasta varios megahertz (MHz). También, osciloscopios de alto rendimiento pueden mostrar señales con frecuencias de varios cientos de gigahertz (GHz).
- 3. Nataly Montejo Física experimental II La escala horizontal se mide en segundos por división (s/div), milisegundos por división (ms/div), microsegundos por división (µs/div), o nanosegundos por división (ns/div). La escala vertical se mide en volts por división (V/div), milivolts por división (mV/div) o microvolts por división (µV/div). Todos los osciloscopios tienen opciones para ajustar las escalas vertical y horizontal. Los osciloscopios pueden ser tanto digitales como analógicos. Los analógicos usan un rayo de electrones para mapear directamente el voltaje de entrada en pantalla. Los digitales incorporan micro-controladores, los cuales muestrean la señal de entrada con un convertidor analógico a digital y mapean esa lectura en pantalla. Generalmente, los osciloscopios analógicos tienen un ancho de banda menor y menos utilidades, pero tienen un tiempo de respuesta más rápido. En cuanto a medidas, los osciloscopios, pueden medir características tanto relacionadas al tiempo como relacionadas al voltaje. Medidas relacionadas al tiempo: • “Duty Cycle” (Ciclo de trabajo): es el porcentaje del periodo en el que una onda es positiva o negativa (hay ciclos de trabajo tanto positivos como negativos). El ciclo de trabajo te dice cuanto tiempo está la señal activa en contraste con el tiempo en el que está inactiva. • “Frequency and period” (Frecuencia y periodo): La frecuencia es el número de veces por segundo que una forma de onda se repite. Y el periodo es el recíproco de eso (Número de segundos que la forma de onda toma para repetirse). Aunque la frecuencia máxima que un osciloscopio puede medir varía, ésta se encuentra normalmente en el rango de los 100 MHz (1×10^6). • “Rise and fall time” (Tiempo de subida y tiempo de bajada): Las señales no pueden ir instantáneamente de 0V a 5V, éstas tienen que ir aumentando gradualmente. El tiempo que tarda una onda en subir de un punto bajo a un punto alto es llamado tiempo de subida, y el tiempo de bajada mide lo opuesto a esto. Estas mediciones son importantes cuando se quiere conocer que tan rápido responde un circuito a señales. Medidas relacionadas al voltaje: • “Maximum and mínimum voltages” (Voltajes máximo y mínimo): El osciloscopio te puede decir con exactitud qué tan alto y qué tan bajo llega el voltaje de tu señal. • “Amplitude” (Amplitud): Esta es la medida de la magnitud de una señal. Hay una variedad de medidas de amplitud, incluyendo amplitud pico a pico, la cual mide la diferencia absoluta entre un
- 4. Nataly Montejo Física experimental II punto de voltaje alto y un punto de voltaje bajo de una señal. Por el otro lado, se encuentra la amplitud pico, la cual sólo mide que tan alto o que tan bajo se encuentra una señal. • “Average voltages” (Voltaje promedio): Los osciloscopios pueden calcular el voltaje promedio de tu señal, así como el promedio del voltaje máximo y mínimo de la misma. Calibrar el osciloscopio Primero ponemos en graunt, centramos la línea horizontal, para eso podemos moverla de derecha a izquierda y arriba o abajo, y ahí tendríamos el osciloscopio listo para trabajar También podemos calibrar previamente antes de realizar nuestro experimento las medidas de tiempo en eje horizontal y nuestras medidas de voltaje en eje vertical. Tipos de Onda que nos entrega el osciloscopio 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 sí 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.
- 5. Nataly Montejo Física experimental II 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 o 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 o 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. Medidas en las formas de onda Periodo y Frecuencia Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al número de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1 ciclo por segundo. Una señal repetitiva también posee otro parámetro: el periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo. Periodo y frecuencia son recíprocos el uno del otro:
- 6. Nataly Montejo Física experimental II 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 (Vpp ) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa. 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 círculo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360º. > 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.