practica 5 osiloscopio, Apuntes de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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PRACTICAS DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA

ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA.

PRACTICA N° 5

MANEJO, FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN DEL

OSCILOSCOPIO

PRACTICA No. 5

PRACTICA N° 5

MANEJO, FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN DEL OSCILOSCOPIO

OBJETIVOS GENERALES

 Al término de la práctica el alumno conocerá las partes que integran un osciloscopio, así como su uso.  Encontrara las aplicaciones que se le dan al osciloscopio, obteniendo las diferentes ondas senoidales y rectificadas, con diodos semiconductores.  Definirá el uso de cada uno de los controles encontrados en el osciloscopio, tanto físicamente como en video.  En esta practica se demostrara que la corriente alterna se transmite en forma senoidal, y se pretende mostrar también otras propiedades como su fase, amplitud, periodo y frecuencia.  Establecer como el osciloscopio desempeña un papel fundamental en el laboratorio de electricidad aplicada.

MATERIAL EMPLEADO

a) Fuente de energía de C.A. (127 V de C.A.) b) Fuente de energía de C.D. (1.2 a 33 volts.) c) Osciloscopio d) Generador de funciones (modelo 4040 A para 20MHz) e) Puente de rectificación de onda completa (modelo KBL02) f) Resistencia de 270, o 330Ω a 2 Watts g) Resistencia de 1 KΩ, a 2 Watts h) Resistencia de 2 KΩ, a 2 Watts i) Diodo de silicio modelo 1N4002 (CR 1 ) j) Terminales de caimanes (20 pares) k) Cable para conexiones o 20 (caimanes pares) l) Multímetro digital. m) Tabla de perfocel de 40 x 40

CONSIDERACIONES TEÓRICAS

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El “tubo de rayos catódicos” es lo que comúnmente denominamos pantalla, aunque no solo está compuesto esta sino que en el interior tiene más partes. El fundamento de estos tubos es igual al de la televisión. Su principal función es que permite visualizar la señal que se está estudiando, utilizando para ello sustancias fluorescentes que proporcionan una luz normalmente verde. En la pantalla aparecen un conjunto de líneas reticuladas que sirven como referencia para realizar las medidas. Dichas líneas están colocadas sobre la parte interna del cristal, estando así la traza dibujada por el haz de electrones y la cuadricula en el mismo plano, lo cual evita muchos errores de apreciación. Según el modelo de osciloscopio la cuadricula que se utiliza puede ser de un tamaño o de otro. Algunos de los más comunes son de 8x10, 10x10, 6x10, etc. Además de las divisiones principales representadas por la cuadricula, normalmente suele haber otras subdivisiones que son utilizadas para realizar medidas más precisas. Otra de las partes del osciloscopio es la base de tiempos. La función de este circuito es conseguir la tensión aplicada aparezca en la pantalla como función del tiempo. El sistema de coordenadas está formado por el eje vertical y el horizontal, siendo en este último donde se suelen representar los tiempos. El circuito de base de tiempos debe conseguir que el punto luminoso se desplace periódicamente y con una velocidad constante en el eje horizontal sobre la pantalla de izquierda a derecha, volviendo luego rápidamente a la posición original y repitiendo todo el proceso. Para conseguir este proceso el circuito de base de tiempos debe proporcionar a las placas horizontales una tensión hasta un punto máximo, a partir del cual desciende rápidamente en lo que se denomina tiempo de retorno, ya que retorna al punto original (0 de tensión). El tiempo que se tarda en alcanzar el punto máximo de tensión es exactamente el mismo que se va a tardar en recorrer toda la pantalla de izquierda a derecha en el eje horizontal. El tiempo de retorno es lo que se tarda en volver al punto origen de la pantalla, es decir, a la izquierda de la misma. El tiempo en recorrer la pantalla de izquierda a derecha siempre va a ser mayor que el tiempo de retorno; de hecho, cuanto menor sea el tiempo de retorno mejor será la reproducción de la señal en la pantalla. Según sea la frecuencia de la tensión de diente de sierra, el punto luminoso se desplazara con mayor rapidez ó menor en la pantalla. Por lo tanto, nos interesa que el circuito de base de tiempos PRACTICA No. 5

proporcione una frecuencia variable, para que el rango de frecuencias que se puedan analizar sea muy grande y abarque desde las frecuencias muy cortas hasta las muy elevadas. El amplificador horizontal tiene como cometido amplificar las señales que entren por la entrada horizontal (X). Normalmente se emplea para amplificar las señales que son enviadas desde el circuito de base de tiempos. A dichas señales se les proporciona una amplitud suficiente para que se pueda producir el desvio del haz de electrones a lo ancho de toda la pantalla. Algunas veces no es necesario conectar las señales de la base de tiempos ya que estas tienen la amplitud necesaria. Por lo tanto, como ya hemos dicho, no solo se va a amplificar la señal de la base de tiempos sino que podemos amplificar cualquier señal y luego componerla con la señal procedente del sistema vertical para obtener la grafica final que va a aparecer en la pantalla. El “amplificador vertical” es, como su nombre indica, el encargado de amplificar la señal que entre por la entrada vertical (Y). Para que el osciloscopio sea bueno debe de ser capaz de analizar señales cuyos valores estén comprendidos en un rango lo más grande posible. Normalmente, los amplificadores verticales constan de tres partes: Amplificador, atenuador y seguidor catódico. El amplificador vertical es el encargado de aumentar el valor de la señal. Está formado por un preamplificador que suele ser un transistor y es el encargado de amplificar la tensión. Después, tenemos unos filtros que son los encargados de que el ancho de banda de paso sea lo mayor posible, y pueden aumentar tanto la banda de bajas como de altas frecuencias. Por último, se pasa por el amplificador final que se puede estar formado por uno o dos transistores. Hay veces que la señal que llega es demasiado grande y necesitamos disminuirla, con este fin se utilizan los atenuadores, que son una parte de los amplificadores, aunque su función no es aumentar la señal sino todo lo contrario, disminuirla. Esta en disminución de la señal es necesaria en algunos casos para que no se produzca distorsión, pudiendo disminuirse en 10, 100, etc., veces el valor de la amplitud inicial. Después de producirse la disminución de la señal suele ser necesario el uso de un seguidor catódico, cuya función consiste en adaptar las

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El sistema vertical también tiene varios controles propios. Existe un “control de la amplificación vertical”. Con el podemos polarizar más o menos la base del transistor encargado de amplificar la señal vertical. En la pantalla del osciloscopio esta amplificación se traduce en la altura de la grafica que vamos a ver. Con el “control de la posición vertical” se puede colocar la traza en una zona u otra de la pantalla. Los controles para el sistema horizontal son bastante parecidos a los del sistema vertical. Hay un “control de la amplificación horizontal” que es el encargado de controlar la ganancia del amplificador horizontal, lo que se traduce en el ancho de la grafica. También existe un mando para centrar la imagen horizontalmente. Para el sistema de sincronismo existen varios controles. El “control de sincronismo” y el control de ajuste de barrido se utilizan conjuntamente .El primero asegura inmovilidad de la imagen actuando sobre la base de tiempos y el segundo permite el control de la frecuencia de la base de campos. Otro control necesario es el “control de la frecuencia de barrido”. Es un conmutador que permite fijar los márgenes de frecuencia de la base de tiempos. Existen otros mandos totalmente necesarios en el osciloscopio. Un mando que tienen prácticamente todos los aparatos electrónicos es el interruptor que enciende o apaga el aparato al conectarlo o desconectarlo de l red. También suele haber un botón que permita conectarse a una red de 125 ó de 220. Hay dos bornes para las entradas horizontal y vertical. Existen muchos más controles específicos de cada modelo de osciloscopio.

Ajuste del osciloscopio Al trabajar con el osciloscopio es muy importante saber usar los controles que tiene, ya que , aunque la medida que esté realizando sea correcta, si la pantalla no está bien ajustada podemos obtener una representación incorrecta. La posición de dichos controles se debe comprar antes de realizar la medida. Debemos comprobar los controles de posición tanto vertical como horizontalmente, los controles relacionados con el sincronismo, la intensidad, el foco, etc.

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Es muy común que en la pantalla no aparezca la medida realizada por una mala colocación de algún mando por lo que, en este tipo de aparatos de medida, es importantísimo revisar continuamente la posición de todos los controles. La forma más correcta de colocar los controles antes de encender el aparato es la siguiente: lo primero es ver que la tensión coincide con la de la red donde vayamos a enchufar al aparato. El mando del brillo hay que ponerlo bastante alto para poder localizar bien el punto luminoso que vamos a obtener, una vez encendido bajaremos el nivel de este mando. El mando de control del foco debemos ponerlo más o menos en la mitad de su recorrido, el sincronismo lo podemos en el modo interno y el selector de barrido y ajuste de frecuencia en un valor pequeño y el mando de ganancia horizontal lo ponemos al mínimo. Después encendemos el osciloscopio y, tras esperar un tiempo para que todo se prepare, podemos observar un punto luminoso, ya que el mando horizontal estaba al mínimo. Según vayamos aumentando el mando de ganancia horizontal vamos a ver cómo el punto luminoso se va convirtiendo en una línea horizontal que va aumentando hasta ocupar toda la pantalla, disminuyendo un poco dicha ganancia si la línea sobrepasa los límites de la pantalla. Está línea que se ha obtenido hay que encuadrarla en el centro de la pantalla usando los mandos de posición vertical y horizontal. Otra operación que debemos realizar antes de introducir la señal es enfocar bien el trazo para que sea lo más nítido posible. Con todos estos ajustes no vamos a conseguir una visualización completa ya que siempre tendremos que retocar un poco más cuando aparezca la señal en la pantalla. Parámetros de un osciloscopio Para que un osciloscopio funcione bien es muy importante el diseño que se ha realizado de este. Después de elegir un buen diseño es igual de importante comprobar que cumple todas las especificaciones que de el se requieren a la hora de realizar una medida. Para que esto sea posible es necesario hacer una calibración adecuada del aparato, ya que, de lo contrario, podría funcionar mal y no realizar las medidas adecuadas. Uno de los parámetros que se deben tener en cuenta es el tiempo de respuesta ya que afecta a la exactitud de los tiempos de transición medidos. Para que el osciloscopio sea bueno tiene que ser más rápido que la señal observada. PRACTICA No. 5

hacerla más grande y poder observarla más claramente. El inconveniente de esta función es que se pierde la escala de referencia, es decir, si tenemos el mando en 20mV por cada cuadrícula, al accionar el magnificador de imagen, ya no tendremos la misma referencia y no seremos capaces de poder medir una señal con precisión. Otro mando, también del tipo potenciómetro, es del que regula la posición, en sentido vertical, que tendrá la señal sobre pantalla. Con él se puede mover arriba y abajo la onda que estemos visualizando para colocarla sobre alguna referencia conocida y así poder medir con mayor precisión. Algunas veces tenemos señales en las que se monta una tensión continua de valor fijo. A la hora de representar esto en el osciloscopio el resultado es que la parte de señal alterna, que es lo que nos interesa, queda demasiado arriba o incluso desaparece de la pantalla. Esta situación se puede evitar con un interruptor que elimina la parte de continua de cualquier señal de entrada. Este conmutador nos permite elegir si queremos que la señal se represente con su parte de corriente continua o que aparezca la parte cambiante de la señal. También sirve para referenciar la entrada del canal corresponde con la masa del aparato, es decir, conecta la entrada a masa. Estos se utilizan para manejar la base de tiempos que utilizara el osciloscopio para representar las señales. El mando principal de estos es el que selecciona el tiempo que marca cada división. Con este elegimos en realidad la frecuencia que tendrá el barrido del haz sobre la pantalla, y el resultado práctico será que la señal que estamos visualizando aparece en pantalla de una forma más grande o pequeña, en sentido horizontal. Cuando tenemos frecuencias más altas tendremos que seleccionar tiempos más bajos y, cuando las frecuencias son bajas haremos lo contrario. Las posiciones que puede tener este mando varían de un aparato a otro, sobre todo en los tiempos más lejos. Para un osciloscopio de 20MHz, la base de tiempos puede llegar hasta 0.1 μs por división. Cuando tenemos aparatos con un margen de frecuencia mayor, la división más baja también deberá ser de un tiempo inferior. En el centro de este mando suele ser normal que haya otro tipo potenciómetro que amplía la imagen para poderla ver con más detalle, igual que ocurría con el mando de amplitud vertical. En este caso también se pierde de la referencia de las divisiones cuando se utiliza esta opción.

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Dentro de este aparato podemos encontrar otro grupo de mandos que se encargan de regular y controlar el disparo de la señal. Para que lo entendamos más claramente, el disparo es el momento exacto en el que la señal se empieza a representar en la parte izquierda de la pantalla. Esta referencia es muy importante para hacer ciertos tipos de medida de la señal relacionados con su frecuencia o con su fase. El disparo de la señal se tiene que producir en cada barrido de haz, es decir, en cada representación de la onda sobre la pantalla. Cuando esto no se produce por algún motivo, el resultado es que tenemos una imagen inestable, con una onda que se mueve continuamente de atrás hacia adelante o al revés. Para evitar este tipo de cosas tenemos cierto control sobre el sistema de disparo del osciloscopio. En los aparatos de doble trazo es posible decidir si el disparo se producirá con la señal procedente del canal 1 ó en la del canal 2. Con otro mando podemos elegir el rango aproximado de frecuencias con las que trabajaremos, para que de alguna forma el sincronismo de disparo se produzca más fácilmente. Igualmente, se puede seleccionar con sendos mandos, el nivel de amplitud de la señal en el momento de disparo, o si queremos que este se produzca en el semiciclo positivo o negativo de la onda. También se puede hacer que la señal quede sincronizada con otra distinta de la que estamos representando. Para ello empleamos la opción de disparo exterior y, por otra entrada especial, aplicaremos la señal que nos servirá como referencia de disparo. Otros mandos del osciloscopio Aunque las principales funciones ya están descritas, existen otros mandos que aunque sean secundarios también son interesantes de aprender. Relacionados en gran medida con los amplificadores del eje vertical están una serie de pulsadores que modifican el aspecto visual de la señal de entrada. Por ejemplo, se puede invertir la onda y visualizarla al revés, o también se pueden sumar los dos canales, de modo qu3e obtengamos otra forma de onda y resultado de la suma algebraica de las dos. Existen otros mandos capaces de eliminar el barrido horizontal, de modo que en la pantalla sólo se aparece un punto en el centro. Esto se utiliza para aplicar directamente una señal en el eje vertical y otra directamente al eje horizontal, para medida de desfases entre dos señales, o para medir una frecuencia a partir de otro patrón.

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Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contiene portadores de carga negativa (electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).

Formación de la región de agotamiento, en la gráfica z.c.e. Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p. Al establecerse una corriente de difusión, aparecen cargas PRACTICA No. 5

fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento. A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos. Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales de germanio. La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor. Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.

Polarización directa de un diodo

Polarización directa del diodo pn. En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a

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Polarización inversa del diodo pn. En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación: El polo positivo de la batería atrae a los electroneslibres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos. El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos. Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería. PRACTICA No. 5

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

EXPERIMENTO 1

1.-Un dispositivo semiconductor no puede soportar una sobrecarga de corriente, cuando esto sucede, el diodo quedara dañado permanentemente. Generalmente se sigue el procedimiento para determinar si un diodo esta en buen estado y constituye también una demostración practica de la polarización inversa y directa usando la fuente de potencial que se tiene en un ohmímetro. Coloque el multímetro en la escala para medir diodos. La terminal común del voltímetro debe tener polaridad negativa. Conecte el multímetro al diodo en la condición de polarización directa, como se indica en la figura 1a y mida en polarización directa.

POLARIZACIÓN DIRECTA= _____________________________ mV. Conecte el ohmímetro al diodo en la condición de polarización inversa, como se indica en la figura 1b, y mida su resistencia inversa. POLARIZACIÓN INVERSA = _______________________________ mV. Un buen conductor indicara relativamente poca resistencia en la condición de polarización directa e infinita o muy alta en la polarización inversa. Explique por que

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EXPERIMENTO 5

5.-Vuelava la tensión de la fuente a cero e invierta las conexiones del diodo de silicio. Aumente la tensión de la fuente a 20 volts. ¿Cuál es la magnitud de la corriente cuando se polariza inversamente el diodo? IR=________________mA Explíquese

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EXPERIMENTO 6

6.-Construya el circuito de la figura 4, asegurándose de tener la polaridad adecuada en el voltímetro, miliamperímetro y el diodo. Ahora mediremos la corriente de ánodo en sentido directo en función de la tensión de la fuente, con una carga de R1 = 270Ω o 330Ω.

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EXPERIMENTO 7

7.-Repita la misma operación que se efectúo en el punto 3 y note los resultados en la tabla 2 Tabla N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 IF mA Es Volt s EXPERIMENTO 8 8.-Haga una grafica de los datos obtenidos en la tabla 2 en la figura 5. Trace una curva continua que toque todos los puntos marcados.

EXPERIMENTO 9

9.- Sustituya la resistencia de 270Ω (R 1 ) por la de 2 K (R 2 ). Repita el punto 3 y registre los resultados obtenidos en la tabla 3. Tabla N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 IF mA Es Volt s

10.-Haga una grafica de los datos obtenidos en la tabla 3 en la figura 6. Trace una curva continua que toque todos los puntos marcados.

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