Introducción a la Física Experimental Universidad de La Laguna

INTRODUCCIÓN A LA CORRIENTE ALTERNA. USO DEL OSCILOSCOPIO

OBJETIVO Estudio de las diferentes partes de un osciloscopio y realización de medidas con este instrumento. Introducción Un osciloscopio consta básicamente de los siguientes componentes: 1) Tubo de rayos catódicos (TRC) 2) Circuito de barrido horizontal o base de tiempos 3) Amplificadores para las señales de entrada 1) TRC.- Un tubo de rayos catódicos está compuesto por un cañón de electrones encargado de emitir, acelerar y focalizar el haz de electrones, un sistema de desviación del haz formado por dos pares de placas denominadas placas de deflexión horizontal (PDH) y vertical (PDV), situadas simétricamente respecto al eje X, y que pueden conectarse a diferentes potenciales, y un indicador de desviación del haz (pantalla) 2) Base de tiempos.- Es un circuito encargado de generar una señal que aplicada a las placas horizontales produce un barrido del haz en la dirección del eje X de la pantalla (eje de tiempos). 3) Amplificadores.- Permiten visualizar en pantalla señales de amplitud muy pequeña (≈ mv.). En la figura siguiente se puede observar el esquema de un TRC

Los mandos o controles principales de un osciloscopio son los siguientes:

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1) Interruptor de encendido (POWER) 2) Control de brillo (INTENS.) 3) Control de enfoque (FOCUS) 4) Selectores de medida de tensión (VOLT./DIV) 5) Desplazamiento horizontal y vertical (X.POS, Y.POS) 6) Selector para medidas de periodos (TIME/DIV) 7) Selector de las señales de entrada (CH1/CH2) 8) Modo X-Y 9) Selector del tipo de señal a visualizar (AC, DC, GND) 10) Canales de entrada. Veamos cuáles serían los pasos a seguir para realizar medidas de tensiones continuas, alternas y periodos de señales. 1) Medida de tensiones en corriente alterna. Conectar la señal a medir al canal seleccionado (10), pulsando en el botón del canal elegido (7). Situar el selector (9) en la posición GND, esto es, nuestro nivel de referencia o de cero voltios y utilizando los potenciómetros de desplazamiento horizontal y vertical (5) posicionar la línea observada en la mitad de la pantalla. A continuación pasar el selector (9) a la posición AC para visualizar la señal alterna en pantalla. Para conseguir una imagen fija y que ocupe el mayor espacio posible en el eje vertical ajustar los selectores (6) y (4) respectivamente. El número de divisiones del máximo al mínimo de la señal, multiplicado por el valor marcado por el selector (4), es la tensión pico-pico (Vpp) de la señal alterna. La amplitud de la señal o tensión de pico (Vp) es Vpp/2. Nota: A menudo suele caracterizarse una señal alterna por medio de su valor eficaz (Vef), que es un valor promedio que caracteriza a cada señal y que para una señal sinusoidal se relaciona con la amplitud en la forma Vef = Vp/√2, siendo este el valor que miden los polímetros. 2) Medida del periodo de una señal alterna. Se procede análogamente al caso anterior, ajustando el selector (6) de forma que un periodo ocupe el mayor número posible de divisiones horizontales. Multiplicando el número

2 3 1 8 5 6

10 9 7

4 5

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de divisiones que abarca un periodo por el factor que indica el selector (6), se obtiene el periodo de la señal., T. La frecuencia f, se calcula como f=1/T. 3) Medida de una tensión continua. Algunas señales alternas tienen una componente continua que se puede determinar con el osciloscopio sin más que pasar el selector (9) de la posición AC a DC y multiplicando el número de divisiones que se desplaza la señal por el factor que indica el selector (4). En el caso de una tensión continua pura, sin componente alterna (pila), la medida se realiza de forma análoga. Realización práctica.

A. MEDIDA DE TENSIONES ALTERNAS Y CONTÍNUAS. Utilizando el transformador que se suministra conectar la salida del mismo a uno de

los canales del osciloscopio. Medir amplitud y frecuencia de la tensión y describir la forma de onda de la misma. A continuación montar el circuito de la figura y medir las tensiones pico-pico VAB, VBC, VCD y sus componentes continuas.

A B C

D

R1 R2

R39V

Transformador12Vef

R1=1100Ω, R2=3370Ω, R3=4630Ω, Calcular teóricamente las diferencias de potencial continuas en extremos de cada resistencia, suponiendo que no existe la fuente de tensión alterna. Comparar estos resultados con los obtenidos experimentalmente.

B. FIGURAS DE LISSAJOUSS

Conectar la salida de cada generador de señal sinusoidal a un canal del osciloscopio (canales CH1 y CH2) y pulsar el botón (8) para seleccionar el modo X-Y. Con esto se consigue representar la señal del CH1 en el eje X y la señal del CH2 en el eje Y. La composición de dichas señales da como resultado las figuras de Lissajous, siempre que una de las frecuencias sea igual, múltiplo o submúltiplo de la otra. Dibujar las figuras de Lissajous que se observan para cuatro relaciones diferentes de frecuencias. Representar gráficamente la composición de dos funciones sinusoidales de la misma frecuencia en papel milimetrado. Comparar esta gráfica teórica con la observada en el osciloscopio.

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C. CIRCUITO RECTIFICADOR Montar el circuito de la siguiente figura

RTransformador

12Vef

A B

C Observar un canal del osciloscopio la señal de salida del transformador VAC y en el otro la tensión en extremos de la resistencia VBC. ¿Cómo modifica el diodo la señal de salida del transformador? Explicarlo razonadamente. Este circuito se conoce como rectificador de media onda. A partir de una señal alterna hemos generado una señal continua. (Se considera que una señal es continua si siempre tiene el mismo signo), ¿cuál es el valor de tensión continua de esa señal? Si añadimos al circuito un condensador en paralelo con la resistencia R, ¿cómo varía

la señal en extremos de dicha resistencia? ¿En qué medida afecta al valor de tensión continua?

RTransformador

12Vef

A B

C

Diodo

+

-C

. MATERIAL 1 Osciloscopio 2 Generadores de señal 1 Placa de plástico con transformador, diodo y resistencias y condensador Cables de conexión

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Apellidos y Nombre: ................................................................................................................... Grupo:.........................Fecha: ......................... A. MEDIDA DE TENSIONES ALTERNAS Y CONTÍNUAS R1 =…….. R2 =…….. R3 =…….. VPILA = ……. VTRANSF = ……..

A.1) Medir la señal del transformador: Amplitud = …….. Frecuencia = ………. A.2) Circuito serie con transformador y pila

Tensiones Alternas pico-pico (pp): Experimental

Tensiones continuas (cc): Experimental

Tensiones continuas (cc): Teóricas

VAB(PP) VBC(PP) VCD(PP) VAB(CC) VBC(CC) VCD(CC) VAB(CC) VBC(CC) VCD(CC) 1

¿Qué se deduce de las medidas obtenidas? _________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ A.3) Circuito serie sólo con pila

Tensiones continuas (cc): Experimental

Tensiones continuas (cc): Teóricas

VAB(CC) VBC(CC) VCD(CC) VAB(CC) VBC(CC) VCD(CC) 1

¿Qué se deduce de las medidas obtenidas? _________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

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B. FIGURAS DE LISSAJOUSS Representar en los cuadros siguientes las figuras observadas, especificando la relación de frecuencias:

f1/f2 =

f1/f2 =

f1/f2 =

f1/f2 =

¿Qué se deduce de las medidas obtenidas? _________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ C. CIRCUITO RECTIFICADOR

Caso1: sin condensador Caso2: con condensador ¿Cómo modifica el diodo la señal de salida? Caso 1 _____________________________________________________________________ ____________________________________________ Tensión continua: (VBC) = _________ Caso 2 _____________________________________________________________________ ____________________________________________ Tensión continua: (VBC) = _________ ¿Cuál es el objetivo final de un rectificador? _______________________________________ ___________________________________________________________________________ ¿En cuál de los casos se consigue un mejor rendimiento y por qué? _____________________ ___________________________________________________________________________

VAC, VBC

t t

VAC, VBC