Osciloscopio
El osciloscopio es un instrumento de medición utilizado para
medir señales eléctricas que cambian rápidamente
con el tiempo. Es particularmente útil para la
determinación de los voltajes instantáneos en aquellos
procesos eléctricos, donde este cambia a velocidades superiores
a
las que la aguja del voltímetro
no puede seguir, como en los
osciladores.
Él osciloscopio se basa en el uso del tubo de rayos
catódicos.
El tubo de rayos catódicos
La figura 1 muestra un
esquema simplificado de un tubo de rayos catódicos.
En uno de los extremos de
un tubo de vidrio
al que se ha practicado vacío, se coloca un
filamento recubierto de un material emisor de electrones. Este
filamento se calienta hasta la incandescencia con el uso del voltaje
marcado como B en la figura. Debido al calentamiento, los
electrones del material del filamento pueden escapar de él muy
fácilmente y saltar al vacío atraídos por la
polaridad positiva del cilindro cargado positivamente denominado
cátodo de aceleración.
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Figura 1
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El campo
eléctrico concentrado en el centro del cilindro, atrae
a los
electrones, los concentra y acelera para formar un haz que circula por
el centro, la inercia de los electrones a alta velocidad hace que
salgan por el otro lado del cátodo de aceleración y se
dirijan en linea recta hasta chocar con el otro
extremo del tubo, el que ha sido ensanchado para formar una pantalla
visora. Esta pantalla visora está recubierta interiormente por
un material fluorescente capaz de emitir luz visible en el punto donde
choca el haz de electrones, que se ve como un punto brillante desde el
lado exterior de la pantalla.
La pantalla está recubierta además en su interior, por un
finísima lámina conductora conectada con polaridad
positiva que atrapa y atrae al haz formado en el cátodo
acelerador cuando sale de él y a la vez sirve para cerrar el
circuito eléctrico formado. En realidad lo que se ha logrado con
todo esto es hacer un arco eléctrico concentrado y dirigido que
sale del filamento incandescente y termina chocando con la pantalla por
su lado interior.
Tubo de rayos catódico del osciloscopio
Para construir un
osciloscopio, al tubo de rayos catódicos descrito en el punto
anterior hay que agregarle algunos elementos. En la figura 2 se muestra
el esquema con los elementos necesarios.
Inmediatamente después del cátodo acelerador,
están colocadas cuatro placas mutuamente perpendiculares, de
manera que forman un juego de dos placas colocadas verticalmente y
otras dos horizontalmente. Estos pares de placas se llaman placas de
deflexión horizontal y vertical respectivamente.
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Figura 2
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Si estos pares de placas no se polarizan con electricidad el haz de
electrones seguirá su trayectoria rectilínea y
terminará chocando con el centro de la pantalla, punto donde se
interceptan los ejes vertical y horizontal grabados en ella, tal y como
sucede en el tubo de rayos catódicos simple, pero si
alguno de los pares de placas se polariza con electricidad,
atraerán el haz de electrones hacia la placa polarizada
positivamente, desviándolo de su ruta rectilínea para
chocar
finalmente en un punto de la pantalla diferente del centro. Si las
placas polarizadas son las verticales, el haz de electrones se
desviará horizontalmente y el punto brillante quedará
sobre el eje horizontal en algún lugar fuera del centro, por el
contrario, si las que se polarizan son las horizontales, la
desviación será en el sentido vertical y el punto
brillante quedará sobre el eje vertical por encima o por debajo
del centro de acuerdo a la polarización. Resulta evidente que
si se polarizan ambos juegos de placas, el punto brillante será
desviado a un lugar en la pantalla fuera de los ejes.
Funcionamiento del osciloscopio
Para hacer funcionar el osciloscopio tenemos que poner a trabajar las
placas de deflexión vertical y horizontal, veamos:
Placas de deflexión vertical
Si dividimos convenientemente como una escala los ejes vertical y
horizontal de la
pantalla, y aplicamos un voltaje fijo que se quiere conocer al juego de
placas horizontales, el haz de electrones se desviará en el
sentido vertical hacia un lado u otro del cero, en concordancia con la
polaridad, y el punto luminoso marcará un valor de voltaje en la
escala como se muestra en la figura3; tenemos construido un
voltímetro.
Si a este
voltímetro le introducimos un voltaje variable cuyo cambio se
produce a baja velocidad, podremos ver el punto luminoso subir y bajar
verticalmente tal y como lo haría la aguja de un
voltímetro de pantalla. Pero si aplicamos un voltaje que cambia
rápidamente, por ejemplo de manera sinusoidal, la mínima
inercia del haz de electrones permite que este se mueva hacia arriba y
hacia abajo siguiendo el ritmo cambiante del voltaje de entrada y lo
que se podrá ver en la pantalla es una línea brillante
vertical que va desde el máximo valor alcanzado por el voltaje
en el ciclo hasta el mínimo. La escala vertical es una escala de
voltaje.
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Figura 3
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Placas de deflexión horizontal
Supongamos que no hay
voltaje en las placas de deflexión vertical y que apliquemos
ahora un voltaje cambiante generado por un circuito especializada del
aparato cuya frecuencia sea controlable
a las placas verticales, la forma del voltaje aplicado es del tipo de
"dientes de sierra" es decir, el valor sube con respecto al tiempo
linealmente, desde un mínimo
negativo hasta un máximo positivo y luego cae casi
instantáneamente al
mínimo negativo otra vez como se muestra en la figura 4.
Este voltaje en las placas de deflexión horizontal hará
al punto brillante moverse de manera continua comenzando desde un borde
de la pantalla (mínimo negativo) hasta el otro (máximo
positivo) para luego aparecer de nuevo (otra vez mínimo
negativo) en el borde de partida, haciendo una suerte de barrido del
eje horizontal. Lo que hemos construido es un reloj, ya que el punto
luminoso se irá moviendo, y la escala puede representar
segundos, décimas de segundo, milésimas etc. de acuerdo a
la velocidad de incremento del voltaje generado. Si la frecuencia del
voltaje generado es baja, podremos ver el punto moverse de izquierda a
derecha en la pantalla, pero si la frecuencia es alta, lo que veremos
es un línea brillante horizontal a lo largo de este eje.
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Figura 4
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Ambas placas
Si tenemos nuestro barrido
horizontal funcionando, y aplicamos el
voltaje variable a medir a las placas de deflexión vertical el
efecto
de ambas se combina y el resultado será un dibujo en la pantalla
de la
forma de la onda del voltaje que estamos determinando como puede verse
en la figura 5; nuestro
osciloscopio estará completo.
El eje horizontal permitirá determinar el tiempo y con ello la
frecuencia de la onda de voltaje que se mide, y el eje vertical el
comportamiento del valor instantáneo de este voltaje.
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Figura 5
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Todos los osciloscopios pueden amplificar el valor del voltaje de
entrada en caso de que este sea muy pequeño para llevarlo al
rango de funcionamiento de las placas de deflexión vertical.
Observe los dos botones, el de la izquierda permite cambiar los valores
de voltaje por división del eje vertical (ganancia del
amplificadir) y el de la derecha, la frecuencia del voltaje de barrido
horizontal, de esta forma puede cambiarse el gráfico mostrado en
pantalla para lograr la forma deseada o para adaptarse a los valores y
frecuencias de la señal a medir.
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