Informe Final 4

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA

INFORME FINAL CURSO : LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS I (EE131-O) TEMA:

“EL OSCILOSCOPIO COMO VOLTIMETRO Y FRECUENCIMETRO ”

DOCENTE:

BETETTA GOMEZ JUDITH

ALUMNO: JOEL COTRINA SANGAY CICLO:

2013-I

20110289J

1. Hacer un resumen de la función y principales usos del osciloscopio en electricidad y electrónica. El osciloscopio: El Osciloscopio de Rayos Catódicos (ORC) es el instrumento capaz de registrar los cambios de tensión producidos en circuitos eléctricos/electrónicos y mostrarlos en forma gráfica en la pantalla de un tubo de rayos catódicos. Este instrumento genera en su interior un haz de electrones que se aceleran e impactan sobre la pantalla del mismo produciendo un punto luminoso que puede ser desplazado en forma vertical y horizontal proporcionalmente a la diferencia de potencial aplicada sobre unos electrodos. Si la tensión que produce la desviación vertical es la que se desea observar y provocamos mediante un generador interno un desplazamiento horizontal del punto a velocidad constante, obtendremos sobre la pantalla una representación de la evolución temporal de la señal observada. Cuando las señales a observar son periódicas es posible representarlas en forma estática en una pantalla mediante el recurso de sobreimprimir los ciclos sucesivos, obteniéndose una imagen de la evolución temporal de la magnitud a lo largo de uno o más ciclos, o sea de la forma de onda. El circuito de sincronización (conocido como circuito de disparo o gatillado) es el encargado de hacer coincidir entre sí los sucesivos ciclos de la onda sobre la pantalla para obtener una imagen estable. Usos del Osciloscopio: El osciloscopio es un instrumento que permite visualizar fenómenos transitorios así como formas de ondas en circuitos eléctricos y electrónicos. Por ejemplo en el caso de los televisores, las formas de las ondas encontradas de los distintos puntos de los circuitos están bien definidas, y mediante su análisis podemos diagnosticar con facilidad cuáles son los problemas del funcionamiento. 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. Es importante que el osciloscopio utilizado permita la visualización de señales de por lo menos 4,5 ciclos por segundo, lo que permite la verificación de etapas de video, barrido vertical y horizontal y hasta de fuentes de alimentación. Ya sea como instrumento de propósito general, como aquí lo hemos descrito, o como instrumento de propósito específico, el osciloscopio encuentra una gran variedad de usos que van desde la medicina hasta el terreno de la industria, pasando por supuesto por una amplia gama de usos científicos que cubren desde la física hasta la biología.

2. Dibujar las señales observadas en cada circuito y explicar la relación con las mediciones hechas con el multímetro. Explicar la definición de valor medio y eficaz.

Fig. Nº 5

Fig. Nº 6: Respuesta de R1 del Circuito Nº 1

Circuito Nº 2

Fig. Nº 8: Respuesta de R1 del Circuito Nº 2

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

Pero, durante medio periodo, el valor medio es:

Siendo V0 el valor máximo.

VALOR EFICAZ:

Se denomina 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: VALOR DEL VOLTAJE EFICAZ:

VALOR DE LA CORRIENTE:

POTENCIA EFICAZ:

3. Cuál es la influencia de la frecuencia para las mediciones de los valores eficaces y promedio en el multímetro. Observamos que para que tenga influencia la frecuencia sobre los valores eficaces y promedios medidos en el multímetro, vemos que para calcular estos valores vienen de dos formulas: VALOR MEDIO:

VALOR EFICAZ:

En este caso el multímetro solo registra los valores finales, o sea no le importa el suceso de los resultados.

En este caso el valor final del valor eficaz es:

Por lo que en el valor eficaz no se halla una influencia de la frecuencia •

En el caso del valor medio, si hay influencia de la frecuencia porque en los gráficos que nos han salido no son senoidales en todo su periodo, por eso en este caso del experimento realizado el valor medio si es afectado por la frecuencia. 4. Investigar sobre las limitaciones en frecuencia del osciloscopio, así como sus demás características de operación (Zin B.W.,VPP max,etc). Ancho de Banda (BW) Especifica el rango de frecuencias en las que el osciloscopio puede medir con precisión. Por convenio el ancho de banda se calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una señal de tipo senoidal se visualiza a un 70.7% del valor aplicado a la entrada (lo que corresponde a una atenuación de 3dB). Tiempo de subida Es otro de los parámetros que nos dará, junto con el anterior, la máxima frecuencia de utilización del osciloscopio. Es un parámetro muy importante si se desea medir con fiabilidad pulsos y flancos (recordar que este tipo de señales poseen transiciones entre niveles de tensión muy rápidas). Un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos de subida más rápidos que el suyo propio. Sensibilidad vertical Indica la facilidad del osciloscopio para amplificar señales débiles. Se suele proporcionar en mV por división vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div). Velocidad Para osciloscopios analógicos esta especificación indica la velocidad máxima del barrido horizontal, lo que nos permitirá observar sucesos más rápidos. Suele ser del orden de nanosegundos por división horizontal. Exactitud en la ganancia Indica la precisión con la cual el sistema vertical del osciloscopio amplifica o atenúa la señal. Se proporciona normalmente en porcentaje máximo de error.

Exactitud de la base de tiempos Indica la precisión en la base de tiempos del sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el tiempo. También se suele dar en porcentaje de error máximo. Resolución vertical Se mide en bits y es un parámetro que nos da la resolución del conversor A/D del osciloscopio digital. Nos indica con que precisión se convierten las señales de entrada en valores digitales almacenados en la memoria. Técnicas de cálculo pueden aumentar la resolución efectiva del osciloscopio. I.Aplicaciones Practicas - En la localización de Averías. - En identificar las señales de ruido para su posterior filtrado de los circuitos electrónicos. - Determinar cuáles de las señales son en AC y DC. 5. Viendo la forma de la onda del osciloscopio en el caso del ROC, para diferentes frecuencias. ¿Cómo disminuiría al mínimo este error? ¿Este error será más pronunciado a altas o bajas frecuencias? Observemos la forma de la onda de la salida: ONDA RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA:

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Como observamos para disminuir el error, la onda debe acercarse a su amplitud porque como se observa en las figura la amplitud de la onda de entrada es mayor que la onda de salida en los dos casos, y para comparar los errores de las ondas debemos medirlos por medio de su amplitud porque es la que nos da su valor de tensión o de corriente en valor eficaz y lo comparamos.

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Para ver que el error es más pronunciado seria cuando se cuando el valor de la amplitud sea menor en consecuencia la frecuencia seria alta con estos comprobamos que a mayor frecuencia el error es más pronunciado. 6.La amplitud de entrada es diferente a la amplitud de salida ¿A qué se debe? ¿En qué caso esta diferencia es mayor? ¿Por qué? Si es diferente, se observa en las simulaciones realizadas. Pero también se debe que al realizar la rectificación el sistema pierde energía como se explica a continuación.

Un Rectificador de onda completa (ROC) es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente directa de salida (V0) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua. La amplitud de entrada es diferente a la de salida debido a que al momento de rectificarla (sea positiva o negativa) las diferencias de potencial a las que están sometidas son de signo contrario, por lo tanto uno se encontrará polarizado inversamente y el otro directamente. La tensión de entrada (Vi) es, en este caso, la mitad de la tensión del secundario del transformador. Tensión rectificada. Vo = Vi = Vs/2 en el rectificador con dos diodos.

7. Investigar sobre formas de medir frecuencia con el ORC. Como las figuras Lissajouse, base de tiempo calibrado, la rueda dentada, etc. Medida de tiempo y frecuencia Para realizar medidas de tiempo se utiliza la escala horizontal del osciloscopio. Esto incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de subida y bajada de impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realiza calculando la inversa del periodo. Al igual que ocurría con los voltajes, la medida de tiempos será más precisa si el tiempo objeto de medida ocupa la mayor parte de la pantalla, para ello actuaremos sobre el conmutador de la base de tiempos. Si centramos la señal utilizando el mando de posicionamiento vertical podemos utilizar las subdivisiones para realizar una medida más precisa.

Medida de tiempos de subida y bajada en los flancos En muchas aplicaciones es importante conocer los detalles de un pulso, en particular los tiempos de subida ó bajada de estos. Las medidas estándar en un pulso son su anchura y los tiempos de subida y bajada. El tiempo de subida de un pulso es la transición del nivel bajo al nivel alto de voltaje. Por convenio, se mide el tiempo entre el momento que el pulso alcanza el 10% de la tensión total hasta que llega al 90%. Esto elimina las irregularidades en las bordes del impulso. Esto explica las marcas que se observan en algunos osciloscopios (algunas veces simplemente unas líneas punteadas). La medida en los pulsos requiere un fino ajuste en los mandos de disparo. Para convertirse en un experto en la captura de pulsos es importante conocer el uso de los mandos de disparo que posea nuestro osciloscopio. Una vez capturado el pulso, el proceso de medida es el siguiente: se ajusta actuando sobre el conmutador del amplificador vertical y el y el mando variable asociado hasta que la amplitud pico a pico del pulso coincida con las líneas punteadas (ó las señaladas como 0% y 100%). Se mide el intervalo de tiempo que existe entre que el impulso corta a la línea señalada como 10% y el 90%, ajustando el conmutador de la base de tiempos para que dicho tiempo ocupe el máximo de la pantalla del osciloscopio.

Medida del desfase entre señales La sección horizontal del osciloscopio posee un control etiquetado como X-Y, que nos va a introducir en una de las técnicas de medida de desfase (la única que podemos utilizar cuando solo disponemos de un canal vertical en nuestro osciloscopio). El periodo de una señal se corresponde con una fase de 360º. El desfase indica el Angulo de atraso ó adelanto que posee una señal con respecto a otra (tomada como referencia) si poseen ambas el mismo periodo. Ya que el osciloscopio solo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfase será indirecta. Uno de los métodos para medir el desfase es utilizar el modo X-Y. Esto implica introducir una señal por el canal vertical (generalmente el I) y la otra por el canal horizontal (el II). (Este método solo funciona de forma correcta si ambas señales son senoidales). La forma de onda resultante en pantalla se denomina figura de Lissajous (debido al físico francés denominado Jules Antoine Lissajous). Se puede deducir la fase entre las dos señales, así como su relación de frecuencias observando la siguiente figura:

a = 1, b = 2 (1: 2)

a = 5, b = 4 (5: 4)

a = 3, b = 2 (3: 2)

a = 5, b = 6 (5: 6)

Figura de Lissajous en tres dimensiones

a = 3, b = 4 (3: 4)

a = 9, b = 8 (9: 8)

8. Observaciones, conclusiones y recomendaciones de la experiencia realizada. OBSERVACIONES:

En este experimento pude observar las diversas aplicaciones del osciloscopio; en la medición de los valores eficaces, valores medios y la medición de la frecuencia de una manera indirecta, lo cual me ayudo a comprender de una mejor manera la utilización del osciloscopio en los circuitos eléctricos. Durante el experimento se pudo observar con ayuda del osciloscopio la característica de la función de salida media onda y onda completa y también hacer las mediciones anteriormente mencionadas. Pude observar que el osciloscopio básicamente nos permite: •

Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.

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Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.

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Determinar que parte de la señal es DC y cual AC.

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Medir la fase entre dos señales. CONLUSIONES:

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Pude concluir que el osciloscopio es un dispositivo muy útil para observar señales alternas, pues nos permite observar las características de estas.

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Se verifica las características del diodo y los rectificadores.

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Se aprendió a calibrar el osciloscopio, se concluye que la calibración es importante, pues al no hacerla los valores que obtendríamos serían distintos. RECOMENDACIONES:

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Recomiendo calibrar correctamente el osciloscopio y también el multimetro antes de realizar las mediciones, el multimetro calibrarlo en un rango apropiado para evitar dificultades y no malograr el fusible.

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Es preciso tener clara la forma de contar los picos, y a cuál señal representan, ya que esto puede traer complicaciones al momento de obtener los resultados y arrojaría por nuestra parte graves equivocaciones, convirtiéndose esto en un error ilegítimo. Más aún se puede perder valioso tiempo en tratar de contarlos sin éxito.

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Recomiendo cambiar los elementos que se encuentren en mal estado y no hagan contacto, ya que estos pueden ocasionar errores en la mediciones que hagamos.

9. Mencionar 3 aplicaciones prácticas de la experiencia realizada completamente sustentadas. La inspección por ultrasonido Se define como un procedimiento de inspección no destructivo de tipo mecánico, y su funcionamiento se basa en la impedancia acústica, la que se manifiesta como el producto de la velocidad máxima de propagación del sonido entre la densidad del material Las ondas ultrasónicas son generadas por un cristal o un cerámico piezoeléctrico denominado transductor y que tiene la propiedad de transformar la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Al ser excitado eléctricamente el transductor vibra a altas frecuencias generando ultrasonido. Las vibraciones generadas son recibidas por el material que se va a inspeccionar, y durante el trayecto la intensidad de la energía sónica se atenúa proporcionalmente a la distancia del recorrido. Al alcanzar la frontera del material, el haz sónico es reflejado, y se recibe el eco por otro (o el mismo) transductor. Su señal es filtrada e incrementada para ser enviada a un osciloscopio de rayos catódicos. Vectoscopio Instrumento de medida utilizado en televisión para ver y medir la componente de color de la señal de video. El monitor vectoscopio es en realidad un osciloscopio especializado en la representación de la parte de crominancia de la señal de video. La EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) Por sus siglas en inglés, fue una de las primeras computadoras electrónicas. A diferencia de la ENIAC, no era decimal, sino binaria y tuvo el primer programa diseñado para ser almacenado. Este diseño se convirtió en el estándar de arquitectura para la mayoría de las computadoras modernas. Físicamente la computadora fue construida de los siguientes componentes: Un lectorgrabador de cinta magnética, una unidad de control con osciloscopio, una unidad para recibir instrucciones del control y la memoria y para dirigirlas a otras unidades, una unidad computacional para realizar operaciones aritméticas en un par de números a la vez y mandarlos a la memoria después de corroborarlo con otra unidad idéntica, un cronómetro, y una unidad de memoria dual. TMW Microondas El sistema de entrenamiento en microondas ha sido concebido con el fin de transmitir conocimientos básicos de la tecnología de hiperfrecuencias a través de ejercicios prácticos. En el paquete básico, se hace énfasis en la propagación de las ondas, tanto en las guías de ondas como al aire libre, estudiándose la influencia que ejercen diversos materiales en la propagación de las ondas o en su atenuación. Asimismo, se establecen los cimientos para comprender cómo funcionan los diferentes componentes de las guías de ondas en el control del flujo de energía. El paquete básico consta de una guía de ondas con diferentes componentes en la banda X, los cuales pueden ser acoplados unos a otros mediante un sistema de fijación instantánea. Esto permite realizar los montajes en el laboratorio de forma más rápida y segura al no ser necesario el tedioso atornillado de los componentes de la guía de ondas en el sistema. Para el montaje estable sobre la mesa de trabajo, se dispone de los soportes ajustables en altura que pueden ser insertados en la parte inferior de los componentes de la guía de ondas. Como generador de hiperfrecuencias se utiliza un oscilador Gunn con circuito resonante sintonizable para la frecuencia de emisión. Para efectuar mediciones con el paquete básico puede utilizarse un osciloscopio o un sistema de medición asistido por PC.

Monitor Fisiológico

Muchos de las reacciones y movimientos que se producen en los organismos animales y humanos producen o son producidos por influjos eléctricos, por esto existe un instrumento llamado osciloscopio que miden o reaccionan ante estos cambios eléctricos del cuerpo. Este aparato, el osciloscopio es muy utilizado en la biología, y en la medicina dentro de los campos investigativos y clínico. Los monitores fisiológicos son un tipo de osciloscopios que responden a diferentes cambios en el organismo sean estos eléctricos o no. Este tipo de aparatos son muy utilizados como electrocardiógrafos, electroencefalógrafos o monitores del pulso. En el caso de ser utilizados como electrocardiógrafo o electroencefalógrafo, estos instrumentos transforman los impulsos eléctricos en amplificaciones de las mismas para luego ser aplicadas en una placa de deflexión.