Circuitos

El Osciloscopio

El osciloscopio es un aparato de medida que nos resultará indispensable para el análisis y la comprobación de los valores que se dan en una tensión variable, su aplicación en el campo de la electrónica se hace indispensable. Es por ello que, los autores Douglas A. Skoog, Stanley R. Crouch,F. James Holler (2008) en su obra Principios de Análisis Instrumental, definen al Osciloscopio de la siguiente manera:

El Osciloscopio de haz electrónico que sirve para medir, visualizar, analizar, registrar y representar gráficamente la relación mutua entre dos magnitudes, de una tensión alterna en función del tiempo. El tubo de haz electrónico diseñado por el físico alemán (1850-1918) Karl Ferdinand Braun. El mismo se utiliza para visualizar las señales eléctricas variables en el tiempo, el eje vertical (Y) se representa el voltaje y en el eje horizontal (X) se muestra la variación de la señal en el tiempo. (p.350)

Un Osciloscopio de haz electrónico u analógico contiene esencialmente cuatro conjuntos:

El tubo de haz electrónico (tubo de pantalla).

Las placas de desviación vertical (Amplificador Y).

Las placas de desviación en el tiempo con amplificador horizontal (Amplificador X).

La fuente de alimentación para las diversas tensiones de alimentación entre ellas también la alta tensión necesaria para el tubo de imagen. (p.350)

Tubos de Rayos Catódicos

En este objeto las imágenes se forman por la interacción de los electrones en un haz enfocado sobre la cubierta fosforescente en el interior de la gran superficie curva de un tuvo en el vacío, el haz de electrones se forma en un cátodo caliente que se mantiene a un potencial de tierra, un acomodo de múltiples ánodos enfocadores genera un haz fino de electrones que han sido acelerados por un campo de varios miles de volts, a falta de señales de entrada, el haz se ve un pequeño punto brillante en el centro de la pantalla.

Placas de Control Vertical y Horizontal

Las señales de entrada se aplican a dos conjuntos de placas, uno de los cuales desvía el haz en forma horizontal y el otro de manera vertical. Por consiguiente, es posible ver una gráfica X-Y de dos señales relacionadas en la pantalla del tubo de rayos catódicos cuando el interruptor, como la pantalla es fosforescente el movimiento del punto parece como un trazo continuo luminoso que se desvanece después de un corto periodo.

Control de Disparo

Para mostrar en forma continua en la pantalla una señal repetitiva, como sería una onda seno, es esencial que cada barrido inicie en un lugar idéntico sobre el perfil de la señal, por lo regular se logra la sincronización mezclando una parte de la señal de prueba con la señal de barrido de tal manera que se produzca un pico de voltaje para cada máximo o algún múltiplo de este. La sección del control horizontal activar mediante una señal externa en lugar de una señal interna en forma de dientes de sierra, en este modo de operación, el osciloscopio se transforma en un graficador X – Y, que muestra la relación funcional entre las dos señales de entrada.

El cilindro de Wehnelt rodea el cátodo incandescente, los electrones emitidos por el cátodo pueden salir a través del orificio, una tensión negativa situada frente al cátodo en el cilindro frena los electrones y si la tensión es suficientemente alta incluso los empuja para que vuelvan al cátodo, una tensión de polarización negativa en el cilindro controla la intensidad luminosa de la imagen en pantalla, como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Tubo de Rayos Catódicos; Tomado de Principios de Análisis Instrumental (p.99) por Douglas A. Skoog, Stanley R. Crouch, F. James Holler 2008, Madrid: Ediciones Parainfo S.A.

Tipos de Osciloscopio

La función básica del osciloscopio es capturar y representar visualmente una señal (tensión) para permitir su análisis en el dominio del tiempo pueden ser analógicos o digitales.

Osciloscopios Analógicos

El osciloscopio se vale de un tubo de rayos catódicos, sobre el cual inciden un haz electrónico proyectado por el cátodo, para reproducir la imagen visual. Es por ello que, Pallás, A. (2008), define a los Osciloscopios Analógicos como:

Los osciloscopios analógicos (de rayos catódicos, CRO, Cathode Ray Oscilloscope) se basan en el tubo de rayos catódicos (TRC) inventado por W. Crookes en 1879, consiste en un tubo de vacío con elementos de enfoque capaces de producir un haz estrecho de electrones, que se enfoca en un blanco fosforescente (la pantalla), y al que se dota de un sistema dinámico para desviar el haz en las direcciones vertical y horizontal (perpendiculares), el trazo obtenido tiene un grosor de unos 0,3 mm. (p.161)

Como sistema de representación, un osciloscopio analógico es un trazador X-Y donde la ordenada del punto en la pantalla se corresponde con la amplitud de la señal que se representa, y la abscisa o bien es proporcional al intervalo de tiempo transcurrido desde un punto de referencia (modo Y-t) donde la señal X(t) es una rampa de tensión con pendiente uniforme.

Mediante una sección de disparo y la sección horizontal se consigue generar una señal que es capaz de mover haz de electrones, proyectados por el cátodo, de izquierda a derecha a una determinada frecuencia, produciendo en la capa fluorescente de la pantalla del tubo una línea horizontal, mediante la base de tiempos se puede ajustar la frecuencia de barrido del haz electrónico.

El Osciloscopio funciona de esta manera cuando el interruptor que se observa en la Figura 2, pasa a la posición 2. Cuando trabaja de este modo, el eje horizontal de la pantalla corresponde al tiempo, al aplicar una señal periódica a las láminas verticales se obtiene la imagen de las ondas de dicha señal, las velocidades más altas de barrido en la mayoría de los osciloscopios están entre 1µs/cm y 11ns/cm.

Figura 2. Diagrama de Bloques de un Osciloscopio Analógico; Tomado de Manual de Osciloscopio (p.99) por Vassallo, F, 1994, Madrid: Ediciones Parainfo S.A.

La sonda del osciloscopio toma la señal a medir, que se prepara en la sección vertical, para atacar las placas de deflexión vertical, esto hace que el haz de electrones tienda a desviarse de arriba abajo de magnitud de la señal a medir (tensión en voltios), mediante el amplificador vertical se consigue atenuar más o menos la señal a medir, si la tensión a medir es positiva, el trazo presentado en la pantalla aparece por encima de la línea de referencia GND y si es negativa, por debajo de dicha línea. La combinación del trazo vertical y el horizontal producen en la pantalla la representación gráfica de la señal a medir.

La tensión a medir se aplica a las placas de desviación vertical oscilante de un tubo de rayos catódicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (denominada así porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca). Esta tensión es producida mediante un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos.

Figura 3. Partes de un Osciloscopio Analógico; Tomado de Electrónica Aplicada (p.99) por Alcalde, P, 2010, Madrid: Ediciones Parainfo S.A.

Descripción de las Partes de un Osciloscopio Analógico.

Para aprender a manejar bien un osciloscopio, lo primero que se debe hacer es reconocer los nombres y las funciones de cada uno de sus controles y conectores.

POWER

Es el control de encendido del instrumento. Generalmente está acompañado de un piloto que indica en qué estado se encuentra.

INTENSITY

Ajusta la intensidad del trazo en la pantalla de tal manera que sea visible. Si la intensidad se hace muy fuerte, la línea pierde precisión y si es muy débil, no se pueden apreciar bien las señales.

TRACE ROTATION

Este control, en forma de tornillo, permite alinear el trazo con la cuadricula y por lo general viene ajustado desde la fábrica. Si al cabo de un tiempo, el trazo no coincide con las líneas horizontales, se mueve este tornillo lentamente y con cuidado hasta lograr el alineamiento.

FOCUS

Este control permite el enfoque de la línea o trazo y se ajusta de tal manera que la imagen sea clara y bien definida.

PROBE ADJUST o CAL

Al conectar una punta de prueba en este terminal aparece en la pantalla una señal en forma de onda cuadrada muy precisa, la cual se utiliza para hacer una prueba rápida del instrumento y para calibrar los diferentes controles del mismo.

POSITION

Con este control se puede variar la posición vertical de las señales presentes en cada uno de los canales (CH1 y CH2). Esto se utiliza a menudo para facilitar las medidas alineando las señales con la retícula o para acomodar las dos señales en la pantalla al mismo tiempo.

CH1-VOLTS/DIV Y CH2-VOLTS/DIV

Estos son dos de los principales controles de todo osciloscopio y son los que establecen la ganancia de los amplificadores verticales de tal forma que la señal o las señales, en cuanto a su tamaño o amplitud, se pueden acomodar en la pantalla para permitir una visualización o una medida adecuada.

Cada uno de estos controles tiene dos perillas concéntricas, la más grande selecciona una determinada

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