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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.

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 catódicos

Figura 1

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.

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 figura 3; tenemos construido un voltímetro.
 
Osciloscopio

Figura 2



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. 

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.
esquema
Figura 3

diagrama
Figura 4

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.

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 amplificador) 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. 
esquema

Figura 5

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