UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
CURSO: Física III INFORME N° 2 TEMA: Osciloscopio como instrumento de medida INTEGRANTES: NOMBRE
CODIGO
FIRMA
HUAMAN MARIN LUIS
20120194A
HUAMAN VALDIVIA LENIN LEE
20122093H
VEGA CANO JESTHYN
20120235J
CALLE FLORES CESAR LEONARDO
20124131D
SECCION: B JEFE DE PRACTICAS: CHAVEZ VIVAR JAVIER FECHA DE ENTEGRA: 30/04/2013
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UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III
INTRODUCCIÓN
Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y los utilizan desde técnicos de reparación de televisores hasta médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. El osciloscopio es un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. En este informe se detalla el funcionamiento del osciloscopio y las funciones de cada control para poder utilizarlas a la hora de medir una corriente continua o variable. El manejo adecuado del dispositivo es el paso previo para poder realizar la mayoría del resto de las prácticas en el laboratorio de Física III.
Los autores
Lima, abril de 2013
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INDICE
Objetivos……………………………………………………………………………………4 Marco Teórico……………………………………………………………………………...5 Controles del Osciloscopio……………………………………………………………….7 Tipos de corriente…………………………………………………………………………8 Tipos de onda con corriente alterna…………………………………………………….9 Materiales…………………………………………………………………………………10 Procedimiento experimental…………………………………………………………….11 Cálculo y resultados……………………………………………………………………..15 Observaciones…………………………………………………………………………...19 Conclusiones……………………………………………………………………………..20 Fuentes de información…………………………………………………………………20
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INFORME DE LABORATORIO N°02 “OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA”
OBJETIVOS •Aprender el manejo de los controles del osciloscopio (encendido, ajuste de intensidad, barrido vertical, barrido horizontal, selección de canal de trabajo, disparo en el osciloscopio) •Evaluar la señal de ajuste para puntas de prueba de un osciloscopio de propósito general •Operar un generador de señales de voltaje en función senoidal, cuadrada, triangular y rampa en este modo continuo. •Medir voltaje de c. d utilizando la entrada horizontal o la entrada vertical del osciloscopio. •Obtener y evaluar gráficas de voltaje vs. Tiempo en circuitos básicos para medir amplitudes, períodos y frecuencias de señales de voltaje.
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UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III •Utilizar las dos entradas verticales del osciloscopio para la medición del desfasamiento ente dos señales senoidales por el método del muestreo de señales y el de las figuras de Lissanjous.
MARCO TEÓRICO
OSCILOSCOPIO Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X representa tiempos y el eje Y representa tensiones Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos, en teoría.
Ilustración 1 .Osciloscopio
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TUBO DE RAYOS CATÓDICOS._ Es la parte donde se presenta la información, en la siguiente figura se muestra un esquema simplificado:
Ilustración 2. Diagrama esquemático simplificado de un tubo de rayos catódicos para un osciloscopio
El TRC consiste en un tubo al vacío, cuya pantalla está internamente recubierta de algún tipo de material fosforescente, el cual al ser golpeado por electrones absorbe la energía cinética de éstos y luego la libera en forma de luz, haciendo visible la trayectoria por la cual se desplaza. Los electrones que llegan a la pantalla en el TRC son inicialmente liberados gracias al calentamiento producido por una corriente a través de un filamento al cual se le aplica una diferencia de potencial V, luego son reunidos en un haz mediante campos magnéticos producidos en bobinas colocadas cerca del filamento. La aceleración de los electrones hacia la pantalla se realiza mediante la aplicación de un alto voltaje (entre 1.5 y 5.0 KV aproximadamente). En su trayectoria, el haz de electrones atraviesa dos parejas de placas deflectoras, una pareja vertical y otra horizontal. Cada pareja de placas está sometida a una diferencia de potencial variable, las verticales hacen variar la posición horizontal del haz sobre la pantalla y las horizontales modifican la posición vertical. A estas últimas se les aplica un 6
UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III voltaje directamente proporcional a la señal que se desea medir o estudiar, aunque esto puede variar dependiendo del modelo particular del osciloscopio.
CONTROLES DEL OSCILOSCOPIO Control de precisión de la traza (Focus) Este control, presente exclusivamente en los osciloscopios de CRT (tubo de rayos catódicos), permite obtener una imagen más clara y nítida de la traza. En los osciloscopios con pantalla LCD esto no es necesario, porque la traza siempre está en la mejor condición posible.
Control de intensidad (Intensity) Este control ajusta el brillo de la traza. Trazas lentas requieren un brillo tenue y trazas rápidas, especialmente si no se repiten frecuentemente, necesitan un brillo mayor. Cabe notar que la intensidad, en osciloscopios CRT, altera la velocidad de la traza, mientras que en los osciloscopios LCD, son independientes uno del otro.
Control de la línea de tiempo Este control permite regular la velocidad horizontal de la traza; a esto normalmente se le llama el barrido (sweep). En la mayoría de osciloscopios, la velocidad de barrido es regulable y se calibra en unidades de tiempo (segundos, milisegundos, etc.) por división de la cuadrícula.
Control del tiempo de espera (Holdoff) Este control varia el tiempo de espera durante el cual, el circuito oscilador ignora las señales. Provee estabilidad en casos en los que un muestreo continuo produciría displays confuses. Usualmente se calibra al mínimo, para obtener más barridos por Segundo y una traza más nítida.
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UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III Controles vertical sensitivity, coupling,y polarity Este control se usa para acomodar un rango amplio de amplitudes de entrada, seleccionando sensibilidad calibrada de la deflexión vertical. A menudo la señal observada está desplazada por una constante, y únicamente los cambios son los elementos de interés. Un control (en la posición AC) conecta un capacitor en serie con la entrada que solo filtrará los cambios, mientras que estos no sean muy lentos. Sin embargo, cuando la señal tiene un cierto desfase de importancia, la entrada se conecta directamente (posición AC). Para la conveniencia, para marcar los 0 Volts en la pantalla, varios osciloscopios tienen una tercera opción del control, GND que desconecta la entrada y pone la señal a tierra. Usualmente en este estado, el usuario calibra el origen de coordenadas con los controles de posición vertical y horizontal.
Control de posición vertical Este control desplaza la traza en el eje de las ordenadas (el eje vertical). Se usa para calibrar la traza puntual en el centro de la cuadrícula, pero también permite tener un intercepto vertical determinado.
Control de posición horizontal Este control desplaza la traza en el eje de las abscisas (el eje horizontal). Se usa para calibrar la traza puntual en el centro de la cuadrícula, pero también permite tener un intercepto horizontal determinado.
Controles de traza doble Cada canal tiene sus propios controles de posición, sensibilidad y regulación de volts por división. Adicionalmente, hay un control para seleccionar cada canal por separado, ambos canales a la vez (mediante una suma de trazas) o una disposición X-Y, que refleja una gráfica en el eje X-Y ambas siendo señales eléctricas. Los osciloscopios de traza múltiple tienen controles para aislar un canal y mostrar la traza única de ese canal.
Control del disparador (Trigger Level) Este control permite sincronizar la línea de tiempo con la señal eléctrica, para mantener fija la señal y poder observarla y estudiarla con mayor detalle. 8
UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III TIPOS DE CORRIENTE Corriente continua: La corriente continua o corriente es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). También se dice corriente continua cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua y va del polo positivo al negativo.
Corriente alterna: Se denomina corriente a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una oscilación sinusoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.
TIPOS DE ONDAS CON CORRIENTE ALTERNA
Ondas sinodales: Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de señales sinodales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), 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 sinodales, la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales sinodales.
Ilustración 3.Ondas sinodales
La señal sinodal 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: Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un 9 Ilustración 4.Ondas cuadradas
UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en sí mismas todas las frecuencias). 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 (diente de sierra): Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico ó 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.
Ilustración 5.Ondas triangulares
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.
Pulsos y flancos o escalones: Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias. Un flanco o escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaría, en este mismo ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente el pulso representa un bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital o también un pequeño defecto en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentáneo). Es común encontrar señales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones.
EQUIPO DE LABORATORIO – Un osciloscopio de 25 MHz, Elenco modelo S-1325 – 2 pilas de 1.5 voltios cada una – Una fuente de voltaje constante con varias salidas
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UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III – Un transformador de voltaje alterno 220/6 V, 60 Hz –Un generador de función elenco GF-8026 –Cables de conexión. –Un multímetro digital.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL A. Identificación de controles e interruptores del osciloscopio (ver ilustración 6). 1. Observar el osciloscopio e identificar controles e interruptores en el osciloscopio real con los enumerados en la figura (1). En las instrucciones siguientes nos referiremos a los controles del osciloscopio sólo por su número correspondiente en la figura (1). 2. Poner en operación el osciloscopio usando el interruptor 4 Se encenderá una luz roja en el botón 5; usando los controles 6 y 8 logre que el punto o la línea en la pantalla del osciloscopio tenga una intensidad y un ancho adecuado a su vista. 3. Observe que la señal en el osciloscopio puede ser línea o punto dependiendo de la posición del interruptor 30. Línea en la posición "afuera" y punto en la posición "adentro". Discuta con su profesor qué es lo que se conecta internamente en el osciloscopio a las placas H para cambiar de uno a otro modo. 4. Sin conectar ningún potencial externo ni en 12 ni en 17, coloque 15 y 20 ambos en posición GND Mantenga el interruptor 30 en posición "adentro" Con el control 21 en posición CHA (canal 1) use los controles 1 l Y 27 para colocar el punto luminoso en el centro de la pantalla del osciloscopio. Con el control 21 en CHB (canal 2) use los controles 16 y 27 para colocar el punto luminoso en el centro de la pantalla o en un punto que usted elija como cero para sus medidas de voltaje.
B. Medidas de voltajes DC 5. Coloque los controles 15 Y 20 en la posición DC. Mantenga el interruptor 30 en posición "adentro". Conecte una fuente de voltaje constante (una pila por ejemplo) a la conexión 12 Manteniendo el control 2 l en posición CHA y el control 24 en CHB observe la desviación vertical del punto luminoso. Use las diferentes escalas dadas por el selector 13 y decida cuál es la más conveniente para medir el voltaje de la fuente. 6. Repita lo hecho en el paso 5 con el voltaje constante conectado a la conexión 17, el control 21 en la posición CHB y el 24 en CHA Use ahora las escalas dadas por el selector 18. NOTA: Para que las escalas de los selectores 13 y 18 sean dadas directamente en voltios por división es necesario que los controles 14 y 19 se encuentren en sus posiciones rotados totalmente en sentido horario y empujados hacia adentro.
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UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III 7. Investigue las funciones de los controles 14 y 19 jalando cada uno de ellos hacia afuera y rotándolos en sentido antihorario. 8. Regrese los controles 14 y 19 a sus posiciones tales que 13 y 18 den lecturas en voltios por división. 9. Use la fuente de voltaje constante con varias salidas y mida el voltaje de cada salida con el osciloscopio. Compare con los resultados obtenidos usando el multímetro digital. C. Medidas de voltaje AC. Amplitud, voltaje pico-pico, período y frecuencia 10. Coloque el interruptor 30 en la posición "afuera". 11. Conecte el transformador de 6 V a la conexión 12 y el interruptor 21 en CHA. Encuentre la mejor escala de voltios por división (selector 13) Y la de tiempo por división (selector 28) para ver completamente un período del voltaje senoidal. Use el control 25 para estabilizar el gráfico en la pantalla del osciloscopio. El número de divisiones verticales multiplicado por el valor indicado en el selector 13 nos da la medida en voltios tanto de la amplitud como del voltaje pico-pico El número de divisiones horizontales multiplicado por el valor indicado por el selector 28 nos da el período del voltaje alterno del transformador. Esto es cierto sólo si el control 29 está en posición totalmente rotado en sentido horario. La frecuencia en Hertz es el inverso del período (f = 1 / T). 12. Repita las medidas hechas en el paso 11 conectando el transformador al canal2. 13. Compare los valores de amplitud y voltaje pico-pico con el voltaje eficaz medido por el multímetro. La relación es Vef = V (2)1/2 / 2, siendo V la amplitud. Estos conceptos serán mejor comprendidos al final del curso en el capítulo de corriente alterna. 14. Conecte el generador de función a la conexión 17 y genere un voltaje senoidal de 7 voltios de amplitud y 100 Hz. Compare el valor digital de frecuencia dado por el generador de función de onda con el período medido en el osciloscopio. D. Otras funciones de voltaje V (t) 15. Produzca, con el generador de función, voltajes que dependen del tiempo en forma de onda cuadrada y en forma de diente de sierra. En cada caso relacione la frecuencia dada por el generador con el período medido con el osciloscopio.
E. Osciloscopio como graficador XY Para que el osciloscopio funcione como graficador XY es necesario que el interruptor 30 esté en la posición "adentro", el interruptor 24 en CHA, y el 21 en CHB. 16. Conecte la salida del transformador de 6 voltios simultáneamente a CHA y a
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UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III CHB. Con el interruptor 30 en posición "afuera" observe como se ve el voltaje senoidal en cada canal. Con ayuda de los controles 11 y 16 trate de ubicar las señales del canal 1 y canal 2 en diferentes alturas de la pantalla del osciloscopio. Colocando el control 21 en posición DUAL observará ambos voltajes al mismo tiempo. 17. Ponga el interruptor 30 en posición "adentro", el control 21 en CHB y el 24 en CHA, observe el gráfico XY. 18. Observe el efecto de jalar hacia "afuera" el interruptor 16. 19. Conecte el transformador al canal 1 y el generador de función al canal 2. Genere una función de voltaje senoidal de 60 Hertz y 8.5 voltios de amplitud. Observe el gráfico XY. 20. Repita 19 pero cambiando la frecuencia del generador de función a frecuencias de 120, 180 y 240 Hz.
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Ilustración 6.Osciloscopio 25 MHz S-1325
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CÁLCULOS Y RESULTADOS 1. TABLA:
CONEXIONES
VO
VM
VN
DC-12
1.25V
1.245V
(*)
DC-17
1.21V
1.262V
(*)
AC-12
7.25V**
6.30V**
6V**
AC-17
7.10V**
6.50V**
6V**
– DC-12: Corriente continua-Conexión 12 – DC-17: Corriente continua-Conexión 17 – AC-12: Corriente alterna-Conexión 12 – AC-17: Corriente alterna-Conexión 17 (*)OBSERVACIÓN: La fuente de corriente continua, en este caso la pila de 9V había sido muy usada, por tanto su diferencia de potencial se redujo considerablemente, por ello no tendría caso hablar de valor nominal de voltaje en el caso de la pila. (**): Valor “pico” o máximo, el valor efectivo del voltaje es: Con la conexión 12: -En la medición con el osciloscopio: 7.25 ⁄√2
5.1265
-En la medición con el multímetro: 6.30 V/√2 = 4.4548 V 15
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-Valor nominal: 6 ⁄√2
4.2426 V
Con la conexión 17: -En la medición con el osciloscopio: 7.10 ⁄√2
5.025 V
6.50 ⁄√2
4.5962 V
-En la medición con el multímetro:
-Valor nominal: 6 ⁄√2
4.2426
2. ¿Es realmente constante el voltaje dado por esta fuente? -En el caso de la pila (DC), el voltaje disminuye gradualmente debido a las reacciones electroquímicas en su interior, es decir, no es constante. -El transformador (AC) genera un voltaje dependiente del tiempo normalmente en forma de función senoidal, por lo tanto es variable. 3. ¿Cuál es el periodo del voltaje alterno dado por el transformador de 6 voltios? Diga el número de divisiones cuando el interruptor 28 está en posición 1ms/división, 2ms/división, 5ms/división. ¿Cuál es la frecuencia medida? Fuente AC
OSCILOSCOPIO (divisiones)
(V)
1 ms / div
2 ms / div
5 ms /div
6
7.2
3.6
1.44
Frecuencia
periodo
(Hz)
(ms)
138.889
7.2
Cálculo del periodo:
16
UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III 3.6
2
7.2
Cálculo de la frecuencia: 1 7.2
1 0.001
138.889
4. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio e indique lo observado en los pasos 17 y 18 del procedimiento. – PASO17: Pantalla del osciloscopio en XY cuando el interruptor 30 está en posición “adentro”, el 21 en CHB y el 24 en CHA.
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UNI‐FIM INFORME DE LABORATORIO ‐ FISICA III – PASO 18: Pantalla del osciloscopio en XY cuando el interruptor 16 está posición “afuera”.
5. Si el osciloscopio está en modo XY y coloca un voltaje constante de 1,5 voltios (una pila) en el canal 1 y de 3 voltios (fuente de voltaje constante con diferentes salidas)en el canal 2. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio indicando la señal observada.
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6. Repita 5 pero con el control 16 en la posición afuera.
OBSERVACIONES 1.Como se menciona en otra parte del informe la fuente de corriente continua, en este caso la pila de 9V había sido muy usada, por tanto su diferencia de potencial se redujo considerablemente, por ello no tendría caso hablar de valor nominal de voltaje en el caso de la pila. 2. Las conexiones del transformador AC al parecer estaban defectuosas, no permitía ajustar adecuadamente los cables para medir el voltaje. 3. Como el voltaje que obtuvimos de la pila era 1.25 voltios(con el osciloscopio),y las preguntas 5 y 6 se refieren a una pila de 1.5 voltios y otra fuente DC de 3 voltios,tuvimos que trabajar con las pilas de 1.25 voltios y con ellos determinar la gráfica que se habría obtenido con los voltajes indicados.
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CONCLUSIONES - Se aprendió el manejar del osciloscopio como instrumento de medición. -Se identificó los controles e interruptores del osciloscopio y las funciones que desempeñan en el mismo. - Se midió el voltaje de la fuente con ayuda del osciloscopio y este resultado nos dio 1.25 voltios, que no coincide con el valor nominal de 9 voltios, lo que indica que la pila había sido muy usada.
FUENTES DE INFORMACIÓN
Manual de laboratorio de física Raymond A. Serway John W. Jewett Jr. Electricidad y magnetismo, sexta edición. http://www.areatecnologia.com/corriente‐continua‐alterna.html http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Uso‐del‐osciloscopio.php http://www.virtual‐oscilloscope.com
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