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Laboratorio de ElectrotecniaDepartamento de Tecnologías Industriales

Facultad TecnológicaUNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

Avenida Ecuador 3769Estación Central · Santiago · Chile

Informe Experiencia N°4

“Mediciones y Uso del Osciloscopio”

Nombre: Enrique San Martín Marabolí

Profesor Guía: Wualdemar Rodríguez.




Introducción

En el desarrollo de este informe, se plasmará lo aprendido en la sesión de laboratorio correspondiente al uso del osciloscopio, herramienta muy útil para el análisis de señales. El funcionamiento de este instrumento de medición es similar al de los cinescopios receptores de TV: el cañón de electrones (cátodo) envía un haz hacia una pantalla recubierta con un material fosforescente; durante su recorrido, el rayo atraviesa por etapas de enfoque (rejillas) y aceleración (atracción anódica) de tal manera que al golpear la pantalla se produce un punto luminoso, por medio de placas deflectoras convenientemente ubicadas, es posible modificar la trayectoria recta de los electrones, tanto en sentido vertical como horizontal, permitiendo así el despliegue de diversa información . Permitiendo observar detalles que por otros medios serían imposibles de visualizar. Es por esto que en este informe se procederá a utilizar este instrumento, definir conceptos necesarios para el uso apropiado de esta útil herramienta de medición.




ÍndiceIntroducción.................................................................................................................................2

Índice...........................................................................................................................................3

Objetivos.....................................................................................................................................4

Instrumentos utilizados................................................................................................................4

Desarrollo del Informe.................................................................................................................5

Algunos Conceptos notables previos al uso de este instrumento:............................................5

Panel Frontal del Osciloscopio..................................................................................................7

Generador de Audio Frecuencias (AF).......................................................................................9

Comportamiento de los elementos pasivos RLC en Corriente Alterna....................................10

Comportamiento de la Resistencia en Corriente Alterna........................................................10

Comportamiento de la Bobina en Corriente Alterna...............................................................11

Comportamiento del condensador en Corriente Alterna........................................................12

Curvas de Lissajous..................................................................................................................13

Presentación de Resultados.......................................................................................................14

Conclusión..................................................................................................................................19




Objetivos

Efectuar mediciones en forma fluida de magnitudes eléctricas tales como tensiones, frecuencia y ángulo de fase.

Comprender el comportamiento de los circuitos RL, RC ante una alimentación sinusoidal.

Verificar el comportamiento de un campo magnético en un motor.

Instrumentos utilizados

Generador de Frecuencias de Audio

Osciloscopio Goldstar OS-5020P 20 Mhz.

Equipo desfasador

Multímetro digital.

Chicotes.

Nudos.




Desarrollo del Informe

Algunos Conceptos notables previos al uso de este instrumento:

INPUT: Entradas verticales para las sondas.Selector AC-GND-DC de canal: En el canal seleccionamos la señal a visualizar (alterna o continua), o con la posición GND situamos la masa en el nivel de referencia que queramos.VOLT/DIV: Atenuador vertical y ajuste fino del canal. Se seleccionan los volts en cada división para cada canal.

Modos de funcionamiento (MODE): Hay cuatro modos de operación en un osciloscopio: Canal 1 (CH 1), Canal 2 (CH 2), Dual y Add.

Canal 1: Con el selector Mode en esta posición sólo se permite ver en la pantalla del osciloscopio la señal que entra por el canal 1. Cuando el canal 1 está activo, la entrada que pudiera haber en el canal 2 no se visualiza en la pantalla.

Canal 2: Con el selector Mode en esta posición sólo se permite ver en la pantalla del osciloscopio la señal que entra por el canal 2. Cuando el canal 2 está activo, la entrada que pudiera haber en el canal 1 no se visualiza en la pantalla.

Dual: Cuando se escoge esta opción, las dos entradas verticales del osciloscopio CH1 y CH2 (canal 1 y canal 2) se visualizan simultáneamente en la pantalla. Este modo de operación permite comparar las dos señales de entrada del osciloscopio en la pantalla.

Add: Cuando se escoge esta opción se utilizan las señales de los dos canales y se realiza una suma. El resultado de la suma es la señal que se despliega en la pantalla.

La suma es directa y se recomienda tener los dos canales con la misma escala de medición vertical.

¿Cómo hacer una resta de dos señales?

Se logra invirtiendo la señal del canal 2 (CH 2). Con el canal 2 invertido y ejecutando la suma (Add) se obtiene el mismo resultado que si hiciera la resta: CH 1 – CH 2., y este resultado será el que se despliegue en la pantalla.




INTENSITY: Nos ilumina más o menos el trazo de la señal.

FOCUS: Ajustamos el trazo de la señal.

LEVEL: Para seleccionar la amplitud del en la cuando ocurre el disparo. Cuándo se rota en sentido de las manecillas de reloj, el punto del disparo se dirige hacia la punta positiva de la señal de disparo. Cuando este control es rotado en sentido contrario a las agujas del reloj, el punto de disparo se dirige hacia la punta negativa de la señal de disparo.

PULL AUTO: Se utiliza para ajustar la posición vertical en la señal para la cual el circuito de disparo se activará.

POSICION PULL *10 MAG: Con esta opción (sacando el conmutador) dividimos la escala del tiempo por 10.

SWEEP TIME/DIV: Es un selector de diferentes escalas que permite modificar el barrido de tiempo por división de una señal.

TRACE ROTATION: Rotando este control con un destornillador de paleta, se puede ajustar la línea o trazo en forma horizontal.

CAL 1 KHz 0.1 Vpp.: Es una terminal para calibración de voltaje. Podemos conectar una de las puntas del osciloscopio en esta terminal y deberá aparecer en pantalla un voltaje de 0.1 Vpp de aproximadamente 1 Khz en forma de onda cuadrada.

VALOR "PEAK TO PEAK": Diferencia entre el valor "peak" positivo y el valor "peak" negativo (Ipp).

VALOR MÁXIMO, AMPLITUD O VALOR "PEAK": Es el máximo valor instantáneo, positivo o negativo (Imáx, Vmáx).

VALOR EFICAZ (R.M.S.): Corresponde a un valor instantáneo de tensión o corriente que, en caso de considerarse constante en el tiempo, produce el mismo efecto de disipación de potencia (en calor) en la sinusoide correspondiente.




VALOR MEDIO: El valor medio Vmed de una onda senoidal es cero, dado que la semionda positiva es igual y de signo contrario a la semionda negativa. Por ello, el valor medio se refiere a una semionda y se define como la media algebraica de los valores instantáneos durante un semiperíodo.

PERÍODO: Tiempo que demora la realización de un ciclo.

FRECUENCIA: Cantidad de ciclos que se realizan en un segundo, expresada en Hertz (Hz)

ÁNGULO DE FASE: Es el ángulo entre el vector INTENSIDAD (amperios) y el vector Tensión o Diferencia de potencia (Voltaje).

Panel Frontal del Osciloscopio




Con un Osciloscopio podemos:

Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. Localizar averías en un circuito. Medir la fase entre dos señales. Determinar que parte de la señal es ruido y como varía éste en el tiempo. Además de medir voltajes y corriente, mide frecuencias y formas de onda.




Generador de Audio Frecuencias (AF)

Es un generador de señales senoidales con amplitud y fase controlada, con frecuencia en los limites de la radiofrecuencia en el rango de los KHz.




Comportamiento de los elementos pasivos RLC en Corriente Alterna

Se entiende por componentes pasivos el conjunto de elementos que transforman o almacenan energía y aseguran los enlaces entre el resto de componentes. Los más importantes son las resistencias, las bobinas y los condensadores.

Comportamiento de la Resistencia en Corriente Alterna

El comportamiento de un resistor en corriente alterna es el mismo que en corriente continua, es decir, en todo momento la intensidad que lo recorre es proporcional al valor de caída de tensión que hay entre sus bornes.

La tensión (VR) y la intensidad (IR) instantáneas siempre van en fase (sus ciclos coinciden), tal como se puede observar en la representación gráfica y en el diagrama de fasores a continuación:

El diagrama de fasores representa los vectores de la tensión y de la intensidad que van girando en sentido contrario a las agujas del reloj con una velocidad angular ω = 2*π*f, donde f es la frecuencia de la corriente alterna. Según la ley de Ohm, si R es el valor binómico de la resistencia y VR su tensión en bornes, el valor de la intensidad IR que circula por ella es:




Comportamiento de la Bobina en Corriente Alterna

En corriente continua, una bobina provoca que el valor final de la intensidad del circuito no se alcance instantáneamente. Análogamente, en corriente alterna, la bobina provoca que la intensidad i(t) esté "retrasada" con respecto a los valores que va tomando la tensión v(t). Por tanto, el comportamiento de una bobina pura en corriente alterna es muy diferente al de la resistencia, ya que v e i no van en fase, tal y como se muestra en la Rep. Gráfica a continuación:

La tensión en los bornes de la bobina (VL) va adelantada 90° (π/2 rad) con respecto a la intensidad (iL) que circula por ella. Esto significa que los fasores van girando con una velocidad angular w, pero se mantiene en todo momento un desfase de 90° entre la tensión y la intensidad. Según la ley de Ohm el valor de IL es igual a:

donde XL, llamada reactancia inductiva o inductancia, está definida por:

Por tanto, en corriente alterna la bobina retrasa la intensidad y se comporta como una especie de resistencia que puede variar su valor en función de la frecuencia f de la corriente alterna y del valor de su coeficiente de autoinducción L. La inductancia se mide en ohm (Ω) igual que las resistencias siempre que f esté expresada en Hertz (Hz) y L en Henry (H).




Comportamiento del condensador en Corriente Alterna

En corriente continua, un condensador interrumpe el paso de corriente y ésta sólo circula mientras el condensador se carga o descarga. En corriente alterna, debido a que el valor de la tensión va cambiando de sentido en el tiempo, el condensador se va cargando y descargando sucesivamente y, por tanto, permite la circulación de intensidad (iC), aunque ésta no irá en fase con la tensión (VC). El comportamiento de un condensador puro en corriente alterna es análogo al de la bobina, aunque en este caso es la intensidad iC la que va adelantada 90° (π/2 rad) con respecto a la tensión VC, tal y como se muestra en el diagrama de fasores de la figura:

Por tanto, en corriente alterna el condensador adelante la intensidad y se comporta como una especie de resistencia que puede variar su valor en función de la frecuencia f de la corriente alterna y del valor de su capacidad C. Esta capacitancia se mide en ohm () siempre que f esté expresada en hertz (Hz), y C en faradios (F).




Curvas de Lissajous

Descritas por el matemático francés Jules Antoine Lissajous, a partir de los trabajos de Nathaniel Bowditch. Básicamente, éstas se producen al representar de forma simultánea en un osciloscopio dos ondas senoidales cuyas frecuencias se encuentren en fase, dando lugar a imágenes bastante atractivas. Las ecuaciones que describen a ambas señales serían:

x(t) = a sin(ωt + δ)y(t) = b sin(t)

Y según la proporción que guarden entre sí las variables a y b, y la frecuencia angular ω en que ambas se encuentren, iremos obteniendo distintas figuras o curvas. Aquí tenéis dos ejemplos que os pueden ayudar a entender a lo que me refiero:

A partir de ahí, y variando los parámetros de las dos ecuaciones paramétricas que antes he descrito, pueden obtenerse infinidad de curvas, a cual más hipnotizante de contemplar en la pantalla de un osciloscopio.

Como curiosidad, comentaré que estas bellas figuras han sido empleadas ampliamente en estudios físicos y de ingeniería, además de en labores de diseño gráfico, hasta tal punto que empresas y asociaciones como la Australian Broadcasting Company o el Laboratorio Lincoln hacen uso de ellas en sus respectivos logotipos.

http://www.ll.mit.edu/about/lissajous.html

http://www.abc.net.au/

http://www.abc.net.au/

http://en.wikipedia.org/wiki/Nathaniel_Bowditch

http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Lissajous.html




Presentación de Resultados

A continuación, procederé a mostrar los experimentos realizados en la sesión correspondiente a este informe de laboratorio.

Previo a esto, procedimos a la calibración del osciloscopio, siguiendo las indicaciones del Profesor Guía ajustando el trazo con un voltaje conocido (0.5 vpp) para hacer coincidir las líneas de los canales horizontal y vertical.

.- Armamos el circuito siguiente y procedimos a medir, y luego completar la tabla:

Nota: El Test análogo no se incluyó en el experimento.

c.- Indique las fórmulas y las unidades correspondientes de:




Veff= VRMS = Vmax x 0.707 (Voltios R.M.S.) Vmax= VRMS / 0.707 (Voltios Pico)Periodo (T) = 1/Hz (Segundos [s]) Vpp= 2 x Vmax (Voltios)Frecuencia = 1/T (Hertz [Hz])

GENERADOR DEAUDIO

Veff Osciloscopio

Vpp Osciloscopio Test Digital Test Análogo

50 Hz 2,828v 4vpp 1,354v ------------------Vpp= 4 Volt 100 Hz 2,828v 4vpp 1,352v ------------------

1 KHz 2,828v 4vpp 1,334v ------------------2 KHz 5,656v 8vpp 2,442v ------------------

Vpp= 8 Volt 5 KHz 5,656v 8vpp 1,878v ------------------10 KHz 5,515v 7,8vpp 1,105v ------------------20 KHz 8,485v 12vpp 0,766v ------------------

Vpp= 12 Volt 45 KHz 8,485v 12vpp 0,155v ------------------80 KHz 8,485v 12vpp 0,002v ------------------

100 KHz 11,313v 16vpp 0,003v ------------------Vpp= 16 Volt 250 KHz 11,313v 16vpp 0,002v ------------------

500 KHz 10,465v 14,8vpp 0,003v ------------------750 KHz 9,545v 13,5vpp 0,0025v ------------------

Cual es el rango máximo de la medición de:

Osciloscopio___________20____________ (MHz)Tester Digital___________2____________ (KHz)

f.- Armar el siguiente circuito para la medición de frecuencia solo con el osciloscopio.

Al armar este circuito, junto con usar el GAF, utilizamos un Váriac, para poder ajustar el voltaje de un canal y conectar simultáneamente canales Horizontal y Vertical para poder observar la figura de Lissajous descrita a continuación.




Implementar el circuito siguiente para la medición de ángulo de fase utilizando el equipo desfasador.

Fórmula ϕ=arcsen Yo

Y H con la figura de lissajous




Observe el desfasaje con tres frecuencia diferentes por ejemplo 40 Hz, 60 Hz 80 Hz grafique.

Aquí podemos observar la línea dual sólo con un canal midiendo las ondas.




En esta imagen podemos observar las diferencias de fase entre el canal del circuito desfasador y la línea conectada directamente al Váriac.

En la pizarra, podemos ver la aplicación de las fórmulas descritas a medida que armamos el circuito.




Conclusión

Al concluir los experimentos, y el desarrollo de este informe, pudimos determinar la importancia del osciloscopio para el análisis de circuitos, debido a su precisión y la oportunidad de analizar lo que ocurre con las ondas mientras está funcionando. Detectar la sincronía o el desfase en las ondas mientras el circuito está operando y con esto, entender el comportamiento de las mismas. En nuestra vida laboral, el uso del osciloscopio variará con el avance de las tecnologías de medición, como dispositivos digitales y analizadores de espectros más avanzados. Pese a esto, el aprender a manejar un osciloscopio análogo es la base de estas tecnologías y nos otorgará una importante experiencia para situaciones futuras.

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