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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS

LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y CONTROL PROFESOR: GARCÍA VÉLEZ ENRIQUE ELECTRICIDAD INDUSTRIAL PRACTICA 2: DESCRIPCIÓN Y OPERACIÓN DEL OSCILOSCOPIO

3IV62

EQUIPO 4 (MESA 4) Integrantes:

Fecha: 05/02/2020

CONTENIDO PRÁCTICA N°2 DESCRIPCIÓN Y OPERACIONES DEL OSCILOSCOPIO........................................................................3 Objetivo...............................................................................................................................................................3 Materiales Y Equipo..........................................................................................................................................3 ¿Qué Es Un Osciloscopio?..............................................................................................................................3 Fundamentos De Uso/Operaciones Básicas Del Osciloscopio...................................................................4 Tipos De Onda...................................................................................................................................................7 Ondas Senoidales.............................................................................................................................................7 Ondas Cuadradas Y Rectangulares...............................................................................................................8 Ondas Triangulares Y De Diente De Sierra...................................................................................................8 Medidas En Las Formas De Onda..................................................................................................................9 Definiciones........................................................................................................................................................9 Valor Eficaz......................................................................................................................................................10 Valor Medio......................................................................................................................................................10 Valores De Conversión...................................................................................................................................11 Valores Medio Y Eficaz Para Funciones Periódicas No Senoidales........................................................12 Valor Medio...................................................................................................................................................12 Valor Eficaz...................................................................................................................................................12 Medición Del Valor Pico De Señales Eléctricas Con El Osciloscopio......................................................12 Medición Del Periodo De Señales Eléctricas Con El Osciloscopio..........................................................13 Desarrollo De Mediciones..............................................................................................................................13 Conclusiones....................................................................................................................................................14 Bibliografía:.......................................................................................................................................................14

PRACTICA N°2 DESCRIPCIÓN Y OPERACIONES DEL OSCILOSCOPIO OBJETIVO Conocer y utilizar correctamente el osciloscopio para la medición de señales eléctricas, así como también las posibles aplicaciones de este instrumento para la solución de problemas, al igual que realizar la medición de señales eléctricas de manera que se interpreten los resultados y se calculen los valores R.M.S.

MATERIALES Y EQUIPO Un osciloscopio Una sonda para el osciloscopio Un generador de señales Un cable de alimentación para el osciloscopio Dos cables para las conexiones

¿QUÉ ES UN OSCILOSCOPIO? El osciloscopio es un dispositivo electrónico de medición que representa gráficamente señales eléctricas variables en el tiempo. El eje X, representa el tiempo en el que queremos visualizar la señal, y el eje vertical Y, nos indica la amplitud con la que queremos ver. En el caso de analizar una señal, esto nos ayudaría a saber su amplitud en tensión y su frecuencia. ¿Qué podemos hacer con el osciloscopio? 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 es AC. Localizar averías en un circuito. Medir la fase entre dos señales.

Tipos de osciloscopios

Análogos: Trabajan con variables continuas, trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor, son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Digitales: Hacen las variables discretas, utilizan previamente un conversor análogo-digital (a/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla, se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos.

Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del traductor adecuado será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. La lectura obtenida con estos instrumentos representa el voltaje eficaz (R.M.S.) de la señal eléctrica, debido a que, en la mayoría de los casos, su respuesta es proporcional a la cantidad de corriente C.D que circula por ellos.

FUNDAMENTOS DE USO/OPERACIONES BÁSICAS DEL OSCILOSCOPIO Los controles que posee a primera vista un osciloscopio se parecen a una pequeña televisión portátil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla y el mayor número de controles que posee. En la siguiente figura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones:

¿Cómo funciona?

Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario detenerse un poco en los procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo analógico ya que es el más sencillo. Osciloscopio Análogo: En la imagen vemos los bloques de un osciloscopio analógico. Primero vemos el circuito a analizar y la sonda por donde se introducirá la señal al osciloscopio. Esta señal se dirige hacia un atenuador-amplificador de la sección vertical. Que sea atenuador o amplificador depende de cómo tengamos el mando de control del amplificador, el cual variará la ganancia del amplificador operacional. A la salida de este bloque, nos dirigimos directamente a las placas de deflexión verticales, que son las encargadas de desviar el haz de electrones que representa la onda. Este haz de electrones viene del cátodo y se ve gracias a una capa fluorescente que hay en la pantalla. Las placas se moverán hacia arriba cuando la señal sea positiva y hacia abajo cuando esta sea negativa. La señal, amplificada o atenuada, también se dirigirá al bloque de disparo, el cual realiza el barrido horizontal. Este se encarga de mover de izquierda a derecha las placas horizontales en un tiempo determinado. Este movimiento de izquierda a derecha, el trazado, se consigue aplicando la rampa ascendente de un diente de sierra a dichas placas de deflexión horizontal. El tiempo de esta rampa viene configurado por el mando regulador del tiempo que queramos por división. El movimiento de derecha a izquierda se consigue en un tiempo mucho menor, ya que es la bajada de este diente de sierra. Esta es la forma en la que trabaja un osciloscopio analógico. Podemos ver que es bastante sencillo, pero esto también hace que las funciones de este sean limitadas.

Osciloscopio Digital: La diferencia entre el osciloscopio digital y el analógico la encontramos después de la etapa de entrada. Es decir, que la fase de amplificación atenuación será

prácticamente la misma. En nuestro caso tendrá una pequeña diferencia, y es que la elección tanto del tipo de entrada que queremos, AC, DC o GND, y escoger cuantos Volts y tiempo por división queremos, no se hará manualmente si no que se hará mediante el PC, aprovechando que no vamos a usar una pantalla para visualizar la señal si no que lo haremos mediante PC, y por tanto podemos usar el Software para hacer estas elecciones. Pero lo que es el montaje en sí, es todo igual tanto en analógico como en digital. Después de esta etapa de entrada, encontramos el sistema de adquisición de datos. Este se basa en un ADC, que convertirá la señal analógica en información digital, una memoria que vendrá controlada por unos contadores y un microcontrolador, el cual se encargará tanto de procesar la señal para ser mostrada por PC, como de ordenar a los distintos componentes como se deben comportar para poder adquirir bien la señal, además de las elecciones anteriormente comentadas de la etapa de entrada. Este microcontrolador irá conectado mediante USB al ordenador, donde se visualizará la señal por software. Además, el trigger, disparo, a elegir entre flanco ascendente, flanco descendente, se hará también por software.

Para poder operar de manera correcta el osciloscopio, se necesitan seguir los siguientes pasos: Poner a tierra: Por seguridad es obligatorio colocar a tierra el osciloscopio. Para conectar a tierra un osciloscopio se necesita unir el chasis del osciloscopio con el punto de referencia neutro de tensión (comúnmente llamado tierra). Esto se consigue empleando cables de alimentación con tres conductores (dos para la alimentación y uno para la toma de tierra). Ponerse a tierra uno mismo: Si se trabaja en circuitos integrados (ICs), especialmente del tipo CMOS, es necesario colocarse a tierra uno mismo. Esto es debido a que ciertas partes de estos circuitos integrados son susceptibles de estropearse con la tensión estática que almacena nuestro propio cuerpo. Para resolver este problema se puede emplear una correa conductora que se conectará debidamente a tierra, descargando la electricidad estática que posea su cuerpo. Ajuste inicial de los controles: Después de conectar el osciloscopio a la toma de red y de alimentarlo pulsando en el interruptor de encendido.

Los osciloscopios digitales poseen un sistema adicional del proceso de datos que permite almacenar y visualizar la señal. Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital a un circuito, sección vertical ajusta la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacía el osciloscopio analógico. El conversor analógico digital del sistema de adquisición de datos muestre la señal a intervalos de tiempo determinados y convierte la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales llamados muestras. En la sección horizontal una señal de reloj determinada cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide por segundo

Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de señal. El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en la pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para representar en pantalla la señal. Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un predisparo para observar procesos que tengan lugar antes del disparo. Fundamentalmente, un osciloscopio digital maneja de una forma similar a uno analógico, para poder tomar medidas se necesita ajustar el mando AMPL el mando TIMEBASE, así como mando que intervienen en el disparo.

TIPOS DE ONDA. Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen ondas de sonido, ondas oceánicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. Un osciloscopio mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se repite en el tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de una onda. Una forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y). Se pueden clasificar de la siguiente manera: Ondas senoidales Ondas cuadradas y rectangulares Ondas triangulares y en diente de sierra

ONDAS SENOIDALES Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes, la señal que se obtiene de las tomas de corriente

de cualquier casa tienen esta forma, las señales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales. La señal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en fenómenos de oscilación, pero que no se mantienen en el tiempo.

ONDAS CUADRADAS Y RECTANGULARES Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores. La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores. Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.

ONDAS TRIANGULARES Y DE DIENTE DE SIERRA Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico o el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas. La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente.

MEDIDAS EN LAS FORMAS DE ONDA Periodo: Tiempo que tarda en efectuarse una onda o vibración completa, se mide en segundos (s) y se representa con una T. Frecuencia: Es el número de ciclos producidas por segunda. La frecuencia se indica con la letra f, se mide en Hertz (Hz). Voltaje: Es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Fase: Se pude explicar mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre círculo de 360°.

DEFINICIONES Forma de onda: Son las señales que están formada principalmente por valores de tensión o corriente, los cuales varían con el tiempo. Valor instantáneo: Es la magnitud de una forma de onda en cualquier instante. Amplitud, valor máximo o valor pico (A, Vm, Vp): Es el valor máximo de una forma de onda. Valor pico- pico: Este es igual al doble valor pico. Es una onda, el valor pico- pico es la distancia vertical del máximo positivo al valor máximo negativo. Forma de onda periódica: Es una forma de onda que se repite continuamente, después del mismo intervalo de tiempo. Periodo: El periodo es una magnitud alterna, es el tiempo que tarda dicha magnitud en efectuar un ciclo completo.

Ciclo: Es el conjunto de valores positivos y negativos comprendidos en un periodo. Frecuencia: Es el número de ciclos generados en un segundo y se expresa como ciclos/seg. o Hertz.

VALOR EFICAZ Se llama valor eficaz de una corriente alterna, al valor que tendría una corriente continua que produjera la misma potencia que dicha corriente alterna, al aplicarla sobre una misma resistencia. Es decir, se conoce el valor máximo de una corriente alterna (I0). Se aplica ésta sobre una cierta resistencia y se mide la potencia producida sobre ella. A continuación, se busca un valor de corriente continua que produzca la misma potencia sobre esa misma resistencia. A este último valor, se le llama valor eficaz de la primera corriente (la alterna). Para una señal sinusoidal, el valor eficaz de la tensión es: 

 y del mismo modo para la corriente 

 la potencia eficaz resultará ser:

Es decir que es la mitad de la potencia máxima (o potencia de pico) La tensión o la potencia eficaz, se nombran muchas veces por las letras RMS.  O sea, el decir 10 VRMS ó 15 WRMS significarán 10 voltios eficaces ó 15 vatios eficaces, respectivamente.

VALOR MEDIO Se llama valor medio de una tensión (o corriente) alterna a la media aritmética de todos los valores instantáneos de tensión (o corriente), medidos en un cierto intervalo de tiempo. En una corriente alterna sinusoidal, el valor medio durante un período es nulo: en efecto, los valores positivos se compensan con los negativos.

Vm = 0 En cambio, durante medio periodo, el valor medio es

siendo V0 el valor máximo.

VALORES DE CONVERSIÓN Para convertir de:

A:

Pico.

Medio.

Pico.

Eficaz

Medio

Pico.

Medio

Eficaz.

Eficaz.

Pico.

Eficaz.

Medio.

Usar las ecuaciones: Vmed=0.637 Vp Imed=0.637 Ip Vef=0.707 Vp Ief=0.707 Ip Vp=1.57 Vmed Ip=1.57 Imed Vef=1.11 Vmed Ief=1.11 Imed Vp=1.414 Vef Ip=1.414 Ief Vmed=0.9 Vef Imed=0.9 Ief

VALORES MEDIO Y EFICAZ PERIÓDICAS NO SENOIDALES

PARA

FUNCIONES

Valor medio El valor medio de una onda, se calcula sobre un intervalo de la función correspondiente a un periodo propio fundamental completo desde cualquier instante.

Es muy frecuente que el valor medio de una onda periódica sea cero. En electrotecnia y electrónica un valor medio no nulo mide la magnitud de un componente de corriente continua en una señal.

Valor eficaz El valor eficaz (raíz cuadrática media o RMS) de una onda periódica que se calcula sobre un intervalo de la función correspondiente a un periodo propio fundamental completo, desde cualquier instante.

MEDICIÓN DEL VALOR PICO DE SEÑALES ELÉCTRICAS CON EL OSCILOSCOPIO Para medir una señal eléctrica con el osciloscopio, una vez calibrado éste con la sonda conectada, se conecta la terminal positiva de la fuente de la señal eléctrica que se va a medir, a la terminal del gancho y la terminal negativa de la fuente al caimán de la punta de prueba de la sonda.Es importante tener en cuenta que cuando se vaya a medir una señal de una fuente monofásica o de fase a neutro, la terminal de fase sea la que se conecte al gancho de la sonda y el neutro al caimán. Apareciendo en la pantalla la señal que vamos a medir a se procede a:

1. Enfocar la imagen con la perilla de focus, y darle la intensidad deseada con la intensity. 2. Determinar el factor de atenuación de la sonda, el cual puede ser de 10 o de 1. 3. Con movimientos combinados de las perillas de volts/dlv y la de time/dlv. Determinar la sensibilidad en volts por división y la base de tiempo en segundos por división. 4. Girar la perilla del vernier de ganancia del canal que se esté utilizando y la perilla del expansor de tiempo, hasta su posición de calibración. 5. Se procede a contar el número de divisiones de la estala de la pantalla que ocupa la señal de pico a pico en el eje “y”. 6. El voltaje de pico a pico se obtiene de la siguiente manera: Vpp=N°de cuadros+N° de divisiones del eje “y” x sensibilidad (volt/div) x factor de atenuación de la sonda.

MEDICIÓN DEL PERIODO DE SEÑALES ELÉCTRICAS CON EL OSCILOSCOPIO Se coloca la señal que tenemos en la pantalla, de tal forma que el inicio de un periodo coincida con una de las divisiones de las coordenadas de la pantalla. Se cuenta el número de divisiones de la escala que ocupa el periodo de la señal en el eje “x”. (N° de cuadros + N° de divisiones). El periodo se conoce de la siguiente manera: T=N° de cuadros + N° de divisiones del eje”X” x base de tiempo (segundos por división). Por último, se obtiene la frecuencia, sacando la inversa del periodo es: F=1/T

DESARROLLO DE MEDICIONES 1. Encienda el osciloscopio. 2. Encuentre el trazo del osciloscopio. 3. Posicione el trazo vertical y horizontalmente con los controles de posición. 4. Ajuste los controles de foco o intensidad para tener un trazo nítido y visible. 5. Calibre los selectores de sensitividad (volts/dlv) y base de tiempo (time/dlv). Para lograr esto, gire los controles centrales a tope del sentido indicando por las flechas de la calibración. 6. Conecte la sonda en la entrada vertical (canal A o 1 o X) y ejecute las mediciones indicadas en la tabla de mediciones. 7. Para la medición de la onda cuadrada conecte la sonda a la salida del generador de funciones. Del generador seleccione una frecuencia y una amplitud al azar. Desarrolle mediciones de Vpp y período. 8. Repita el paso 7, pero seleccionando una función triangular. 9. Repita el paso 7, seleccionando una función senoidal.

Tipo de señal

N° de cuadros vertical

Sensibili dad Volt/div

Factor de la sonda

Valor pico a pico

N° de cuadros horizont ales

Base de tiempo (seg.) Time/div

T(seg.)

F=1/t

Calibración interna del osciloscopi o

4

x

1

x

10

Señal ambiente

4

x

20mv

x

10

= 0.8

2.8x500ns= 1.4

5000000/ 7 Hz

Onda senoidal

4.4 x

2v

x

10

= 88

4.4x10mx= 4.4

250000/7 Hz

Onda cuadrada

1.8 x

5v

x

10

= 90

4.6x10u= 4.8

5/25 Hz

Onda triangular

1.8 x

5v

x

10

= 90

4.8x10= 4.8

6250/3 Hz

7.2 x

5v

x

10

= 360

6.7x2.4m= 0.016

59.70 Hz

Voltaje monofási co

= 50

4x250us= 1m

1000 Hz

Grafica

CONCLUSIONES.  

 

Hemos visto que osciloscopio es un aparato que nos permite visualizar de manera gráfica, diferentes señales y realizar diferentes actividades como mediciones, detección de errores, etc. También sabemos que existen dos tipos de osciloscopios, analógicos y digitales; y que el principio de funcionamiento del osciloscopio básico es el tubo de rayos catódicos a diferencia de la digital, el cual tiene un convertidor analógico digital. Analizamos los subsistemas de los diferentes osciloscopios para entender mejor su funcionamiento y la diferencia entre uno y otro. Gracias a esta práctica conocimos una herramienta muy importante llamada osciloscopio y a utilizarla.

BIBLIOGRAFÍA:  https://www.ugr.es/~juanki/osciloscopio.htm  https://www.monografias.com/trabajos104/valor-efectivo-onda-sinusoidal/valorefectivo-onda-sinusoidal.shtml  http://www.ifent.org/Lecciones/CAP08/cap08-05.asp  https://unicrom.com/valor-rms-promedio-pico/  https://www.fluke.com/es-mx/informacion/mejores-practicas/aspectos-basicos-delas-mediciones/electricidad/que-es-el-verdadero-valor-eficaz