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CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA UNIDAD Nº I

Señales variables en el tiempo.

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Introducción

En el curso anterior se vieron los conceptos fundamentales de la energía eléctrica, pero

desde el punto de una corriente continua y constante, es decir que no varía en el tiempo, o

su variación o caída de tensión es mínima y la podemos asumir, si la graficáramos, como

una línea recta constante en el tiempo.

Como ya es sabido, la energía eléctrica, presente en las instalaciones eléctricas y en la

gran mayoría de instalaciones industriales, es de tipo alterna. Vale decir, sus valores varían

en el tiempo variando estos, de un máximo a un mínimo en un determinado intervalo de

lapso. Por ende, está muy lejos de ser constante y, por lo tanto, se pueden evidenciar ciertos

fenómenos eléctricos que en corriente continua no aparecen.

Por lo tanto, en esta asignatura se presentarán los conceptos básicos que describen la

corriente, como señales variables tanto monofásicas como trifásicas, valor peack, peack to

peack, RMS, frecuencia, periodo, longitud de onda, impedancias, así como la ley de Ohms

y los teoremas eléctricos más importantes aplicados a la corriente alterna, además de

desarrollar las competencias necesarias para realizar mediciones eléctricas con

osciloscopio y simulación de circuitos eléctricos mediante software especializado, ya que

este curso es la base para la obtención de las competencias necesarias para trabajos

relacionados a la electricidad domiciliaria e industrial.

La asignatura, durante las seis semanas de estudio, desarrollará en el alumno los siguientes

contenidos procedimentales:

• Define los conceptos fundamentales de los parámetros de una señal alterna.

• Reconoce las características analíticas fundamentales de una señal sinusoidal.

• Genera señales variables utilizando generador de fusiones.

• Mide señales variables en el tiempo utilizando osciloscopio.

SEMANA 1

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• Reconoce los conceptos de capacitancia e Inductancia.

• Utiliza análisis fasorial para la aplicación de leyes eléctricas en corriente alterna.

• Analiza circuitos eléctricos de corriente alterna mediante el uso de teoremas y leyes

eléctricas.

• Realiza simulación de circuitos eléctricos para comprobar parámetros obtenidos a

través del análisis de redes eléctricas de forma analítica.

• Identifica los tipos de potencia en corriente alterna.

• Calcula el factor de potencia en sistemas de corriente alterna.

• Realiza la corrección del factor de potencia.

• Realiza simulación de circuitos eléctricos para comprobar parámetros obtenidos a

través del uso de las leyes eléctricas de forma analítica.

• Analiza circuitos eléctricos trifásicos mediante el uso de teoremas y leyes eléctricas.

• Calcula la potencia eléctrica en sistemas trifásicos.

• Realiza simulación de circuitos eléctricos para comprobar parámetros obtenidos a

través del análisis de redes eléctricas de forma analítica.

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Ideas Fuerza

1. Define los conceptos fundamentales de los parámetros de una señal alterna.

Las señales alternas, por ser de origen variables presentan varios parámetros que

en corriente continua no se presentan, como valor peack, peack to peack, RMS,

frecuencia, periodo y longitud de onda.

2. Reconoce las características analíticas fundamentales de una señal sinusoidal.

Como las señales eléctricas alternas corresponden a fenómeno físicos, estos

pueden ser descritos analíticamente por relaciones matemáticas y en este caso, por

señales sinusoidales, derivado de la trigonometría.

3. Genera señales variables utilizando generador de fusiones.

Para poder probar circuitos eléctricos de corriente alterna a pequeña escala, en un

ambiente seguro como un taller o laboratorio, es importante conocer los

generadores de funciones, que nos permiten crear señales alternas con ciertas

características o parámetros específicos para alimentar a nuestros circuitos y

comprobar su operación.

4. Mide señales variables en el tiempo utilizando osciloscopio

Para los mismos efectos de comprobar el funcionamiento de señales alternas, es

importante el uso de instrumentos de medición, pero ahora no basta con un

multitester, pues hay parámetros que es importante conocer y que no pueden ser

medidos con este tipo de instrumento.

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Desarrollo

1.Señales variables y alternas

Como se ha indicado anteriormente, la mayor parte de las aplicaciones prácticas con

energía eléctrica, están caracterizadas por magnitudes que varían en el tiempo.

En particular, los voltajes y las corrientes

tienen un período “T”, que se repite

siempre igual a sí mismo en un cierto

intervalo de tiempo: decimos que el

sistema opera en estado dinámico

periódico. Una magnitud que varía en el

tiempo será indicada con i(t), u(t)...., con

el fin de reservar la representación con

mayúsculas a las magnitudes fijas.

Definimos magnitud periódica a la

magnitud que se repite cíclicamente en

el tiempo con un cierto ciclo o periodo (T)

Una magnitud periódica se caracteriza por algunos parámetros:

Frecuencia f: es el número de ciclos que se producen por unidad de tiempo y se mide

en Hertz (Hz):

.

Componente continuo Ycc: es el valor que se obtiene al dividir la suma algebraica de

las áreas incluidas entre la magnitud bajo estudio y el eje del tiempo en un período, por

el período.

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Por convención se adopta como

positiva al área A1 por arriba del

eje del tiempo y como negativa al

área A2 por debajo del eje del

tiempo.

Cuando las áreas positivas y

negativas son iguales, se define

una nueva familia de magnitudes

periódicas con un componente

continuo nulo, es decir, las

magnitudes alternas.

Es importante aprender que todas

las magnitudes periódicas pueden

ser descompuestas en una suma

de un componente continuo y un

componente alterno.

Valor medio Ym: También llamado valor promedio, es el valor medio de todos los

valores tomados por la magnitud en un período, o puede ser definido como el

componente continuo que se obtiene al volcar las áreas negativas en el semiplano

positivo, es decir tomar la parte negativa e invertirla para que quede como positiva, tal

como muestra la siguiente figura.

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Si la magnitud no tiene áreas

negativas, el valor medio coincide

con el componente continuo,

mientras que en todos los otros

casos Ym > Ycc.

Obviamente las magnitudes

alternas tienen un valor medio

nulo.

Por lo tanto, podemos definir como señal alterna a una forma de onda donde la parte

positiva y negativa, tienen la misma forma, pues su valor medio promedio es cero.

Esto sugiere que no todas las señales periódicas son alternas.

Como ejemplo, podemos nombrar las siguientes funciones matemáticas que

corresponden a señales periódicas alternas:

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Por lo tanto, podemos definir como señales periódicas, pero no alternas, a las siguientes

formas de onda:

Fuente de imagen: https://ingenieriaelectronica.org/formas-de-onda-ondas-constantes-

periodicas-y-no-periodicas/

Valor máximo YM: También llamado valor Peack, es el máximo valor que toma la

magnitud en un período: se puede distinguir un valor máximo positivo YM+ y un valor

máximo negativo YM-

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Si hablamos de señales de voltajes, indicaremos el valor máximo del voltaje o valor peack

como Vp.

Valor pico a pico Ypp: Llamado también como, valor peack to peack y que corresponde

a la máxima oscilación de la magnitud entre su valor máximo y mínimo, es decir de un

extremo a otro, o, de un peack al oro peack.

Ypp = (YM+) - (YM-)

Si hablamos de una señal de tensión o voltaje, la denominaremos como Vpp.

Valor eficaz Yeff: También llamado como valor RMS, que es un acrónico de la frase

inglesa root mean square, es decir la raíz cuadrada media, de los cuadrados de cada

uno de los valores de la señal, tomados por la magnitud, durante un período.

Dependiendo de la forma de onda que se analice, el cálculo aritmético del valor efectivo

o eficaz no es algo muy trivial, de hecho, es bastante complejo y es necesario un

conocimiento de cálculo integral, para poder determinarlo.

Pero cuando hablamos de energía eléctrica, el valor eficaz representa la equivalencia

energética entre una señal alterna y una señal continua.

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Para explicar esto, supongamos que tenemos dos resistores de las mismas

características y valores óhmicos, pero para que sea más sencillo notar lo que

comentamos, usaremos resistores cerámicos, que disipan mayor potencia.

Como se ve en la imagen, tenemos dos resistencias de 10 Watts y de 10 Ohms (R1 y

R2), las cuales se conectan a una batería de corriente continua de 9 Volts y otra a un

generador de funciones, respectivamente.

Si generamos con el generador de funciones un voltaje alterno de 5 Volts máximos y

dejamos los resistores conectados un cierto tiempo, cuando vayamos a tocarlos,

veremos que el de corriente continua será el que esté más caliente. Pero si ponemos el

generador a 30 Volts máximos, veremos que el resistor R2, estará más caliente.

Ahora, si ajustamos el generador de funciones a un valor tal, que cuando dejemos los

resistores por un cierto rato y los vayamos a ver, veamos que ambos han disipado la

misma temperatura, diremos que el voltaje de 9 volts es el valor RMS del generador de

funciones.

Es decir, el valor eficaz es cuando logramos que la carga con un voltaje alterno, genere

la misma disipación de energía si la conectáramos a una fuente de corriente continua y

esta última, sería la equivalente energética de la fuente alterna.

Longitud de onda Es la distancia física que recorre una onda en un intervalo de un

periodo de tiempo.

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Fuente de imagen: https://www.unadmexico.mx/sitios/aplicaciones-

107/LITE_36/_Un_139_Resonancia/escenas/2_Inicio_1.html

Y se define como:

= c / f

Donde es la longitud de onda, "c" es la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000

Km/seg), y "f" es la frecuencia de la onda.

Para comprender el concepto, hagamos de cuenta que se tiró una pequeña piedra a un

depósito de agua, piscina o lago.

Como resultado, obtendremos unas pequeñas olas sobre la superficie del agua, que no

son otra cosa que ondas que viajarán sobre el agua, hasta que se acabe la energía

cinética que provocó la piedra al romper la tensión superficial del agua. La distancia que

separa las crestas de estas olas, sería el equivalente de la longitud de onda de la señal

que se propaga sobre el líquido por la perturbación realizada.

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2.Ondas sinusoidales

Algunos tipos de ondas periódicas tienen el inconveniente de no tener definida su

expresión matemática, por lo que no se puede operar analíticamente con ellas. Por el

contrario, la onda senoidal no tiene esta indeterminación matemática y presenta las

siguientes ventajas:

• La función seno está perfectamente definida mediante su expresión analítica y

gráfica.

• Las ondas periódicas no senoidales se pueden descomponer en suma de una

serie de ondas senoidales de diferentes frecuencias que reciben el nombre de

armónicos.

• Se pueden generar con facilidad y en magnitudes de valores elevados para

facilitar el transporte de la energía eléctrica.

• Su transformación en otras ondas de distinta magnitud se consigue con facilidad

mediante la utilización de transformadores.

Onda sinusoidal

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Una señal sinusoidal, a(t), tensión, v(t), o corriente, i(t), se puede expresar

matemáticamente según sus parámetros característicos, mostrados por la figura anterior,

como una función del tiempo por medio de la siguiente ecuación:

Donde:

A0 es la amplitud o magnitud en voltios o amperios (también llamado valor máximo, de

pico o peack),

ω la velocidad angular en radianes/segundo (velocidad de rotación o de desplazamiento

de un ángulo en una circunferencia, que se asocia al generador de corriente alterna

electromecánico, que gira sobre su eje para generar una señal alterna.)

t el tiempo en segundos.

β el ángulo de fase inicial en radianes (también se denomina con la letra griega )

Dado que la velocidad angular es más interesante para matemáticos que para

profesiones del área eléctrica, la fórmula anterior se suele expresar como:

Donde:

f es la frecuencia en hercios (Hz) y equivale a la inversa del período (f=1/T). Por lotanto,

la frecuencia angular se puede expresar en función de la frecuencia temporal como:

ꞷ =

Fase

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La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un circulo 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, es decir, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos

equivalentes de ambas señales, que físicamente las bobinas del generador se separan

una de otra, por lo que una señal “empieza antes que la otra”. En este caso se dice que

ambas señales están desfasadas, pudiéndose medir el desfase con una simple regla de

tres.

Valor instantáneo (a(t)): Es el que toma la ordenada en un instante, t, determinado.En

la ecuación es simplemente reemplazar los parámetros de la amplitud máxima,

frecuencia, ángulo de fase y el tiempo en el que se quiere el valor.

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Ahora, podemos definir en una señal sinusoidal, los mismos parámetros descritos

anteriormente y tenemos que:

Valor pico a pico (App): Diferenciar entre su pico o máximo positivo y su pico negativo.

Dado que el valor máximo de sen(x) es +1 y el valor mínimo es -1, una señal sinusoidal

que oscila entre +A0 y -A0. El valor de pico a pico, escrito como AP-P, es por lo tanto (+A0)-

(-A0) = 2×A0. En otras palabras, el valor pico a pico es el doble de la amplitud o valor

máximo.

Valor medio (Amed): Este valor en una señal alterna sinusoidal es siempre igual a cero.

Valor eficaz (A): Su importancia se debe a que este valor es el que produce el mismo

efecto calorífico que su equivalente en corriente continua, tal como se explicó

anteriormente. En la literatura inglesa este valor se conoce como R.M.S. (root mean

square, valor cuadrático medio). En la industria, el valor eficaz es de gran importancia ya

que casi todas las operaciones con magnitudes energéticas se hacen con dicho valor.

De ahí que por rapidez y claridad se represente con la letra mayúscula de la magnitud

que se trate (I, V, P, etc.), junto a las letras RMS. Matemáticamente se demuestra que

para un voltaje alterno sinusoidal el valor eficaz viene dado por la expresión:

𝑉𝑅𝑀𝑆 =𝑉𝑃

√2

El valor VRMS, es útil para calcular la potencia consumida por una carga. Así, si una

tensión de corriente continua (CC), VCC, desarrolla una cierta potencia P en una carga

resistiva dada, una tensión de CA de VRMS desarrollará la misma potencia P en la misma

carga si VRMS = VCC.

Para ilustrar prácticamente los conceptos anteriores, consideremos, un valor de voltaje

de 230 V CA, estamos diciendo que su valor eficaz (al menos nominalmente) es de 230

V, lo que significa que tiene los mismos efectos caloríficos que una tensión de 230 V de

CC.

Su tensión de pico (amplitud), se obtiene despejando de la ecuación antes reseñada:

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Así, para nuestra red de 230 V CA, la tensión de pico es de aproximadamente 325 V y

de 650 V (el doble) la tensión de pico a pico.

Ahora, de forma práctica el valor numérico de la raíz de 2 es aproximadamente 1,4142,

que, al invertirlo, se tiene un valor aproximado de 0,707.

Por lo que la expresión del valor RMS se tiende a simplificar como:

𝑉𝑅𝑀𝑆 = 0,71 ∙ 𝑉𝑃

Es decir, que el voltaje RMS es, aproximadamente el 71% del valor peack.

Por ende, si el voltaje peack es de 325 Volts, el 71% de ese valor es 230,75 Volts, lo que

es muy similar a lo calculado anteriormente.

Ahora, calculemos el valor instantáneo de la señal de 230 Volts, asumiendo que no tiene

desfase y si sabemos que la frecuencia es de 50 Hz, lo que equivale a decir que cada

ciclo de la onda sinusoidal tarda 20 ms en repetirse. La tensión de pico positivo se

alcanza a los 5 ms de pasar la onda por cero (0 V) en su incremento, y 10 ms después

se alcanza la tensión de pico negativo. Si se desea conocer, por ejemplo, el valor a los

3 ms de pasar por cero en su incremento, se empleará la función sinusoidal y se

reemplazan los valores conocidos.

Este cálculo se denomina valor instantáneo, ya que es el valor de voltaje en un instante

de tiempo específico.

Generador de funciones

Un Generador de Funciones es un aparato electrónico que produce ondas sinodales,

cuadradas y triangulares, además de crear señales TTL (Digitales). Sus aplicaciones

incluyen pruebas y calibración de sistemas de audio, ultrasónicos y servo.

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En la siguiente figura se muestra un ejemplo de generador de funciones y sus

componentes.

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Descripción:

1. Controles, Conectores e Indicadores (Parte Frontal)

1. Botón de Encendido (Power button). Presione este botón para encender el

generador de funciones. Si se presiona este botón de nuevo, el generador se

apaga.

2. Luz de Encendido (Power on light). Si la luz está encendida significa que el

generador este encendido.

3. Control de Frecuencia (Frecuency Control). Esta variable de control determina la

frecuencia de la señal del conector en la salida principal tomando en cuenta

también el rango establecido en los botones de rango.

4. Ancho del Barrido (Sweep Width). Este control ajusta la amplitud del barrido.

5. Rango de Barrido (Sweep Rate). Ajusta el rango de la señal interna de barrido y

la repetición del mismo.

6. Control de Simetría. Varía ciclo de servicio (duty cycle) en la forma de onda de

una señal, se activa al empujar hacia fuera el botón (pull) y moverlo en sentido

reloj (clockwise) y contra reloj (counter- clockwise) tal como muestra la figura.

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7. Offset en DC (DC Offset Control). Este control establece el nivel de DC en la salida

50, es decir sube o baja una señal con respecto a la recta y=0, las variaciones

que permite este control son de 10 V, tal como muestra la figura.

8. Control de Amplitud y Atenuación (Amplitude Control/-20dB Control). Esta variable

de control, dependiendo de la posición del botón de voltaje de salida (VOLTS

OUT) determina el nivel de la señal del conector en la salida principal, al jalar el

botón (pull) éste provee una atenuación de la señal de salida entre 0 y 40 dB.

9. Botones de Rango (Range buttons) (Hz). Esta variable de control determina la

frecuencia de la señal del conector en la salida principal, según el botón

presionado los rangos de frecuencia variarán tal como muestra la fugura.

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10. Botones de Función (Function buttons). Los botones de onda senoidal, cuadrada

o triangular determinan el tipo de señal provisto por el conector en la salida

principal.

11. Control de frecuencia externa (VCF Control). Al aplicar un voltaje entre 0 y +10 V

se producen variaciones en la frecuencia de salida de 100:1.

12. Conector de la salida TTL (TTL output connector). Se utiliza un conector BNC para

obtener señales de tipo TTL, señal cuadrada como las ocupadas en circuitos

digitales

13. Conector de la salida principal (Output connector). Se utiliza un conector BNC

para obtener señales de onda senoidal, cuadrada o triangular.

2. Controles, Conectores e Indicadores (Parte Posterior)

14. Selector de voltaje (Line Voltaje Selector). Estos selectores conectan la circuitería

interna para distintas entradas de alimentación, asegurar que este selector este

configurado para la alimentación de 220 VRMS.

15. Entrada de alimentación (Power Input). Conector de entrada para el cable de

alimentación.

16. Fusible (Line Fuse). Provee de protección por sobrecargas o mal funcionamiento

de equipo.

Para generar una onda con este instrumento debemos ajustar la perilla de amplitud

al valor deseado, hay que notar que, en este caso, el instrumento no muestra el valor

en el mismo equipo, por lo cual se debe utilizar un instrumento de medición de señales

alternas para verificar lo generado, pero hay otros equipos que muestran el valor

peack que se ha generado.

Luego se debe seleccionar el tipo de función o señal que se desea trabajar.

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Después, seleccionamos el rango de frecuencia, que se multiplicará por el valor entre

0,02 y 2 que se muestra en el potenciómetro del Control de Frecuencias.

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Ahora, ajustamos el control de frecuencia, el cual es bastante sensible, al valor

deseado, que en la figura, se ha puesto a 1,1. Por lo tanto, si el rango de frecuencia

está en 1 K, tendríamos 1,1 KHz, si fuese 100K, sería de 110 KHz y así

sucesivamente, dependiendo del rango.

Luegon se conecta un cable BNC al terminal de salida de 50, haciendo coincidir las

salientes del terminal con los orificios del conector del cable de señal, luego dar medio

giro en sentido reloj para que quede fijo el conector.

Conectar el otro extremo del cable BNC al circuito a alimentar.

Osciloscopio

El Osciloscopio de rayo catódicos (ORC), proporciona una representación visual de

cualquier forma de onda aplicada a los terminales de entrada. Un tubo de rayos catódicos

(TRC) es muy similar a un tubo de televisión, proporciona una imagen que muestra la

forma de onda de la señal aplicada como una forma de onda en la pantalla. Un rayo de

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electrones se puede desviar conforme barre la pantalla del tubo, dejando una imagen de

la señal aplicada a los terminales de entrada.

Mientras los multímetros proporcionan información numérica acerca de una señal

aplicada, el osciloscopio permite visualizar la forma precisa de la forma de onda. Se

dispone de un amplio rango de osciloscopios, algunos adecuados para medir señales

por debajo de una frecuencia especificada, y otros para facilitar la medición de señales

de la más corta duración.

Para que opere como un osciloscopio, el haz de electrones es deflectado

horizontalmente por un voltaje de barrido y verticalmente por el voltaje a ser medido.

Mientras la señal de barrido deflexiona al haz de electrones a través del frente del TRC

horizontalmente, la señal de entrada deflecta el haz verticalmente, lo que da como

resultado la imagen de la forma de onda de la señal de entrada. Un barrido del haz a

través de la cara del tubo es seguido por un periodo en “blanco”, durante el cual el haz

se apaga mientras regresa al punto inicial a través del frente del tubo.

Una visualización más estable se obtiene cuando el haz barre repetidamente el tubo con

la misma imagen exacta en cada barrido. Esto requiere una sincronización, comenzando

el barrido en el mismo punto de un ciclo de la forma de onda repetitiva. Si la señal está

sincronizada de forma adecuada, la imagen visualizada se mantendrá fija; si no hay

sincronización, parecerá que la imagen se mueve horizontalmente a través de la

pantalla.

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Para obtener una deflexión observable del haz, desde unos varios centímetros, el voltaje

usual que se aplica a las placas deflectoras debe estar en el orden de decenas a cientos

de volts. Debido a que las señales medidas con la ayuda de un Osciloscopio son

típicamente de unos cuantos volts o de hasta unos cuantos milivolts, se necesitan

circuitos amplificadores para incrementar la señal de entrada a los niveles de voltaje

requeridos para operar el tubo. Hay secciones de amplificación vertical y horizontal del

haz. Para ajustar el nivel de una señal, cada entrada pasa a través de un circuito

atenuador que puede ajustar la amplitud de la imagen.

Controles básicos

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1. (6) Sensibilidad vertical V/div o V/lcm. Determina el valor necesario de voltaje que

se debe aplicar a las entradas verticales para desviar el haz una división (o un cm). Este

control conecta un atenuador de pasos al amplificador del osciloscopio y permite

controlar la sensibilidad vertical en pasos discretos. El rango típico es de 10mV/cm hasta

10 V/cm.

2. (7) V/div variable. Generalmente un disco rojo de movimiento continúo marcado VAR.

Permite una variación continua (y no en escalones) de la sensibilidad vertical. Se debe

ajustar esta perilla a la posición calibrada (generalmente girando por completo en sentido

horario pasando el tope donde se oye un chasquido) para igualar la sensibilidad vertical

del osciloscopio al valor marcado en el interruptor Sensibilidad Vertical. Cuando se mide

la amplitud de las ondas senoidales, se lleva el control hasta el mayor tiempo posible tal

que los peaks aparezcan como una línea. Esto facilita mucho la lectura de la amplitud.

Posición. Las perillas de posición se emplean para desplazar el trazo o el centro de la

imagen mostrada por toda la pantalla. Las perillas de posición dan este control ajustando

los voltajes de cd aplicados a las placas deflectoras del tubo de rayos catódicos.

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3. (11) Posición vertical. Controla el centrado vertical del trazo. Se emplea este control

con el control acoplamiento de entrada puesto en cd para localizar o ajustar el trazo a la

tierra del chasis.

12. Posición horizontal. Controla el centrado horizontal de la imagen.

4. (9.) Acoplamiento. Selecciona el acoplamiento capacitivo (ca) o directo (cd) de la

señal de entrada con el amplificador del osciloscopio.

5. Mode (Presentación vertical). Selecciona en los osciloscopios de doble trazo, el tipo

de presentación :

• 1.Canal A (o 1) selecciona el canal A para presentarlo.

• 2.Canal B (o 2) selecciona el canal B para presentarlo.

• 3.Doble trazo (o canales A y B). Se muestran los dos canales

• 4. A + B. Se muestra la suma de señales de los canales A y B.

• (8) INV. Invierte la polaridad de la señal del canal B. Permite mostrar la diferencia

entre las señales de los canales Ay B cuando se aplican al mismo tiempo el modo

(A + B).

• Entrada diferencial (A – B). Muestra la diferencia entre las señales de los canales

1 y 2.

13. Tiempo de barrido o tiempo/div. Controla el tiempo que el punto torna para moverse

horizontalmente a través de una división en la pantalla cuando se emplea el modo de

barrido disparado. Un valor muy pequeño de Tiempo/ div indica un tiempo de barrido

muy corto. Los tiempos típicos de barrido varían desde l s/cm hasta 5 s/cm.

14. Tiempo variable. Generalmente, un disco rojo de movimiento continuo marcado.

Este control de vernier permite escoger una velocidad continua pero no calibrada de

tiempo/ div. Algunos osciloscopios muy baratos sólo tienen un control de variación

continua de tiempo/división.

15. Modo de disparo (Trigger Mode)

• AUTO, permite un disparo normal y da una línea base en ausencia de alguna

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señal de disparo. Se necesita una deflexión de 0.5 divisiones para activar el

disparo.

• NORM permite el disparo normal, pero el barrido se apaga en ausencia de una

señal adecuada de disparo.

• TV da un disparo en el campo de TV o en la línea de TV.

16. Fuente de disparo. Selecciona la fuente de la señal de disparo. Empleando este

control, se escoge el tipo de señal que se emplea para sincronizar la onda de barrido

horizontal con la señal de entrada vertical. Las selecciones posibles comprenden por lo

general:

• Interna. La salida del amplificador vertical se emplea para disparar el barrido. Esta

opción hace que la señal de entrada controle el disparo. Este tipo es adecuado

para la mayor parte de las aplicaciones tipo de disparo.

• Línea. Esta posición selecciona al voltaje de línea de 50 Hz como señal de dis-

paro. El disparo de línea es útil cuando hay una relación entre la frecuencia de la

señal vertical de entrada y la frecuencia de la línea.

• Ext. Cuando se emplea esta posición, se debe aplicar una señal externa para

disparar la onda de barrido. Esta señal se debe conectar a la entrada Disparo

Externo. La señal de disparo externo debe tener una frecuencia compatible con

la señal de entrada vertical para obtener una señal estable en pantalla.

18. Nivel de disparo. Selecciona el punto de la amplitud en la señal de disparo que hace

que dé principio el barrido.

20. Terminal para ajuste de la sonda (compensación de la sonda o calibrador). Produce

una onda cuadrada (generalmente de 1 o de 2 kHz y 0.5 o 1.0 V) para la compensación

de la sonda.

21. Intensidad. Controla la brillantez del trazo del osciloscopio. La perilla da una

conexión a la grilla de control del cañón de electrones en el tubo de rayos catódicos.

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Cuando se gira en el sentido de las manecillas del reloj, se disminuye el voltaje de re-

pulsión de la grilla y pueden emerger más electrones del agujero en la grilla del cátodo

para formar el haz. Un mayor número de electrones en el haz origina un punto más

luminoso en la pantalla. Precaución: se debe tener cuidado para evitar que el haz de

electrones queme la pantalla. Un punto estacionario se debe mantener en una intensidad

muy baja. Si se mantiene alta la intensidad, el punto debe estar en movimiento. Si

aparece un "halo" alrededor del punto, la intensidad es demasiado alta. Antes de

encender el osciloscopio, baje la intensidad.

22. Enfoque. El control de enfoque se conecta al ánodo del cañón de electrones que

comprime el haz de electrones emergente para formar un punto fino. Cuando se ajusta

este control, el trazo en la pantalla del osciloscopio se hace más agudo y definido.

23. Interruptor de alimentación (o línea). Enciende y apaga al osciloscopio

Localizador del haz. Regresa el despliegue a la zona de visión del tubo de rayos

catódicos sin importar los demás ajustes de control. Para ello reduce los voltajes de

deflexión vertical y horizontal. Observando el cuadrante en el que aparece el haz cuando

se activa el localizador, se sabrá en qué direcciones se deben girar los controles de

posición horizontal y vertical para volver a colocar el trazo en la pantalla una vez que

vuelva a operarse normalmente el osciloscopio.

Pendiente de disparo. (Slope) Este interruptor determina si el circuito de pulsos en la

base de tiempo responderá a una señal de disparo con pendiente positiva o negativa.

Iluminación de escala. Da la iluminación a la retícula. Las líneas grabadas de la retícula

se iluminan con luz proveniente de la orilla de la pantalla, para no producir reflejos que

interfieran con la imagen mostrada.

Amplificador de barrido (x 10). Este control permite disminuir el tiempo por división de

una onda de barrido. Sin embargo, la reducción se logra aumentando una parte de la

onda de barrido en lugar de cambiar la constante de tiempo de los circuitos internos que

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la generan.

TÉCNICAS DE MEDIDA

Fíjate en la siguiente figura que representa la pantalla de un osciloscopio. Deberás notar

que existen unas marcas en la pantalla que la dividen tanto en vertical como en

horizontal, forman lo que se denomina retícula ó rejilla. La separación entre dos líneas

consecutivas de la rejilla constituye lo que se denomina una división. Normalmente la

rejilla posee 10 divisiones horizontales por 8 verticales del mismo tamaño (cercano al

cm), lo que forma una pantalla más ancha que alta. En las líneas centrales, tanto en

horizontal como en vertical, cada división ó cuadro posee unas marcas que la dividen en

5 partes iguales (utilizadas como veremos más tarde para afinar las medidas)

Algunos osciloscopios poseen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100% para

facilitar la medida de tiempos de subida y bajada en los flancos (se mide entre el 10% y

el 90% de la amplitud de pico a pico). Algunos osciloscopios también visualizan en su

pantalla cuantos voltios representa cada división vertical y cuantos segundos representa

cada división horizontal.

Medida de voltajes

Generalmente cuando hablamos de voltaje, queremos realmente expresar la diferencia

de potencial eléctrico, expresado en voltios, entre dos puntos de un circuito. Pero

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normalmente uno de los puntos está conectado a masa (0 voltios) y entonces

simplificamos hablando del voltaje en el punto A ( cuando en realidad es la diferencia de

potencial entre el punto A y GND). Los voltajes pueden también medirse de pico a pico

(entre el valor máximo y mínimo de la señal). Es muy importante que especifiquemos al

realizar una medida que tipo de voltaje estamos midiendo.

El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otras medidas

se pueden realizar a partir de esta por simple cálculo (por ejemplo, la de la intensidad ó

la potencia). Los cálculos para señales CA pueden ser complicados, pero siempre el

primer paso para medir otras magnitudes es empezar por el voltaje.

En la figura anterior se ha señalado el valor de pico Vp, el valor de pico a pico Vpp,

normalmente el doble de Vp y el valor eficaz Veff ó VRMS (root-mean-square, es decir la

raiz de la media de los valores instantáneos elevados al cuadrado) utilizada para calcular

la potencia de la señal CA.

Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es fácil, simplemente se trata de

contar el número de divisiones verticales que ocupa la señal en la pantalla. Ajustando la

señal con el mando de posicionamiento horizontal podemos utilizar las subdivisiones de

la rejilla para realizar una medida más precisa. (recordar que una subdivisión equivale

generalmente a 1/5 de lo que represente una división completa). Es importante que la

señal ocupe el máximo espacio de la pantalla para realizar medidas fiables, para ello

actuaremos sobre el conmutador del amplificador vertical.

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Algunos osciloscopios poseen en la pantalla un cursor que permite tomar las medidas de

tensión sin contar el número de divisiones que ocupa la señal. Básicamente el cursor son

dos líneas horizontales para la medida de voltajes y dos lineas verticales para la medida

de tiempos que podemos desplazar individualmente por la pantalla. La medida se

visualiza de forma automática en la pantalla del osciloscopio.

Medida de tiempo y frecuencia

Para realizar medidas de tiempo se utiliza la escala horizontal del osciloscopio. Esto

incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de subida y bajada de

impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realiza calculando la inversa del

periodo. Al igual que ocurría con los voltajes, la medida de tiempos será más precisa si

el tiempo a objeto de medida ocupa la mayor parte de la pantalla, para ello actuaremos

sobre el conmutador de la base de tiempos. Si centramos la señal utilizando el mando

de posicionamiento vertical podemos utilizar las subdivisiones para realizar una medida

más precisa.

Medida de tiempos de subida y bajada en los flancos

En muchas aplicaciones es importante conocer los detalles de un pulso, en particular los

tiempos de subida ó bajada de estos.

Las medidas estándar en un pulso son su anchura y los tiempos de subida y bajada. El

tiempo de subida de un pulso es la transición del nivel bajo al nivel alto de voltaje. Por

convenio, se mide el tiempo entre el momento que el pulso alcanza el 10% de la tensión

total hasta que llega al 90%. Esto elimina las irregularidades en las bordes del impulso.

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Esto explica las marcas que se observan en algunos osciloscopios ( algunas veces

simplemente unas líneas punteadas ).

La medida en los pulsos requiere un fino ajuste en los mandos de disparo. Para

convertirse en un experto en la captura de pulsos es importante conocer el uso de los

mandos de disparo que posea nuestro osciloscopio. Una vez capturado el pulso, el

proceso de medida es el siguiente: se ajusta actuando sobre el conmutador del

amplificador vertical y el y el mando variable asociado hasta que la amplitud pico a pico

del pulso coincida con las líneas punteadas (ó las señaladas como 0% y 100%). Se mide

el intervalo de tiempo que existe entre que el impulso corta a la lineal señalada como

10% y el 90%, ajustando el conmutador de la base de tiempos para que dicho tiempo

ocupe el máximo de la pantalla del osciloscopio.

Medida del desfase entre señales

La sección horizontal del osciloscopio posee un control etiquetado como X-Y, que nos

va a introducir en una de las técnicas de medida de desfase (la única que podemos

utilizar cuando solo disponemos de un canal vertical en nuestro osciloscopio).

El periodo de una señal se corresponde con una fase de 360º. El desfase indica el ángulo

de atraso ó adelanto que posee una señal con respecto a otra (tomada como referencia)

si poseen ambas el mismo periodo. Ya que el osciloscopio solo puede medir

directamente los tiempos, la medida del desfase será indirecta.

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Uno de los métodos para medir el desfase es utilizar el modo X-Y. Esto implica introducir

una señal por el canal vertical (generalmente el I) y la otra por el canal horizontal (el II).

(Este método solo funciona de forma correcta si ambas señales son sinusoidales). La

forma de onda resultante en pantalla se denomina figura de Lissajous (debido al físico

francés denominado Jules Antoine Lissajous). Se puede deducir la fase entre las dos

señales, así como su relación de frecuencias observando la siguiente figura

Una técnica de medida de fase utilizando el modo X-Y es la siguiente:

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Par obtener el ángulo de desfase, se utiliza a relación:

Sen(ᵠ)= B/A

donde ᵠ es el desfase entre ambas señales.

Ahora, desde el punto de vista del tiempo, el desfase entre señales sería algo como:

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Donde T es el periodo, que, desde el punto de vista angular, corresponde a 360°

Fuente: Tutorial osciloscopio virtual,

http://www.uco.es/oscivirtual/Tutorial/TecnicasMedida.html

Ahora, antes de medir en un osciloscopio, es importante ajustar el equipo previamente,

siguiendo los pasos que se describen a continuación:

1.- En el Osciloscopio ponga el control de selección de acoplamiento de entrada,

ubicado sobre el conector de entrada del canal 1, en la posición “GND”. Recuerde

que esta acción permite poner la entrada del osciloscopio a tierra para realizar el

ajuste del instrumento antes de la medición.

2.- Lleve el control de intensidad, enfoque, posición horizontal y posición vertical del

canal 1 y el canal 2 a mitad de la carrera de estos controles, para centrar y visualizar

la señal

3.- Lleve el control de modo de disparo (Trigger mode) a la posición Automático

4.- Lleve el control de fuente de disparo (Trigger Source) a la posición Ch1.

5.- Ponga el control de nivel de disparo (Level) a mitad de la carrera de este control.

6.- Verifique que los controles de canal invertido, magnificado y otros controles

especiales se encuentren deshabilitados, en el caso del instrumento de ejemplo,

son los botones pequeños, los cuales no deben estar undidos.

7.- Posicionar la perilla “V/div variable”, que en el ejemplo se muestra sobre la perilla

VOLTS/DIV, al máximo de su recorrido en sentido horario. Esto es de suma

importancia, ya que esta perilla atenúa la entra de señal, por lo cual, al no ajustarla,

implicaría un error grande en la lectura.

8.- Realizado los pasos anteriores, verifique que en la pantalla del osciloscopio esté el

barrido del osciloscopio. (una línea continua).

9.- Verifique que el barrido esté paralelo a las divisiones horizontales de la pantalla. De

lo contrario deberá ajustar el control “Trace Rotation”, para enderezar la curva.

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10.- Realizado lo anterior, posicione el control de selección de acoplamiento de entrada,

ubicado sobre el conector de entrada del canal 1, en la posición “DC”.

11.- Ajustar la perilla de VOLTS/DIV de tal forma que la señal se vea lo más grande

posible, verticalmente, pero sin que se salga de la pantalla. (Señal óptima en

amplitud)

12.- Ajustar la perilla de TIME/DIV de tal forma que la señal muestre claramente un ciclo,

a lo más uno y medio, pero nunca menos de uno o más de dos. (Señal óptima en

periodo)

13.- El resultado sería la visualización de la señal generada.

Para aclara la idea veremos un ejemplo real de medida con el osciloscopio, donde

asumiremos que ya se ha ajustado el equipo previamente y que se tiene una medida de

una señal como la mostrada en la siguiente figura:

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Notemos que, para la medida vertical, que la señal muestra 7 cuadros o divisiones y un

1½ subdivisión para el voltaje pico a pico, como cada subdivisión corresponde a 0,2

cuadros, una y media corresponderán a 0,3 cuadros. Por lo tanto, se tiene una lectura

de 7,3 divisiones, ahora como la escala de VOLTS/DIV muestra 2 Volts/div, implica que,

al multiplicar este valor con la lectura de cuadros, obtendremos un voltaje pico a pico de

14,6 Vpp. De este valor obtenemos que la amplitud de la señal es de 7,3 Vp, por lo tanto,

el voltaje RMS tendrá un valor de 5,16 VRMS

Debemos notar que la señal no se encuentra centrada en forma vertical, sino que el

extremo negativo se encuentra sobre una línea de referencia, para poder leer la cantidad

de divisiones a partir de ésta. Para realizar este ajuste, se utilizan las perillas de posición

vertical del canal correspondiente. Este es una técnica muy utilizada para poder tener

una mejor lectura.

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El mismo procedimiento se realiza con el periodo del ciclo mostrado en la figura, es decir

se multiplican las 6,5 divisiones mostradas, con los 2ms/div que muestra la escala del

tiempo. Para esta operación debemos tener cuidado de las unidades de medida de la

perilla TIME/DIV, en este caso son 2 milisegundos, es decir dos milésimas de segundos

(2/1000 o 210-3 en notación científica), por lo tanto, se tiene:

msegTsegTsegT 13013,01025,6 3 === −

Ahora, la frecuencia de la señal será el inverso del periodo, por lo tanto:

HzffT

f 9,76013,0

11==

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Conclusión

De lo prendido en esta semana, podemos concluir que las señales alternas son formas

de onda que generan un voltaje que varía en el tiempo, puede ser continuo o discontinuo

(señales de pulso), además no todas las señales son alternas y tampoco periódicas.

Las señales eléctricas que se utilizan en electricidad y electrónica, por lo general son

señales sinusoidales (o sinodales) que tienen como característica que son señales

alternas y periódicas, que pos su naturaleza, simplifican el cálculo de los parámetros

fundamentales como voltajes, frecuencia y periodo.

En este tipo de señales tenemos que el voltaje eficaz o RMS, es aproximadamente el

71% del voltaje máximo o peack y desde el punto de vista físico, esta magnitud es el

equivalente energético entre una señal alterna y una continua.

Además, para poder medir este tipo de señales, es más efectivo utilizar instrumentos

como el osciloscopio, que usar equipos como el multímetro, dado que el primero permite

graficar la señal eléctrica y por ende nos muestra de forma gráfica el comportamiento de

la onda.

Además, este tipo de equipo no solo permite medir el voltaje versus el tiempo, sino que

también permite medir el desfase entre dos señales eléctricas a través de las figuras de

Lissajous.

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Bibliografía

Antonio Hermosa Donate (1999). Principios de Electricidad y Electrónica II. Barcelona:

Marcombo, S.A.

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