OSCILOSCOPIO -1

Introducción

Si tienes un osciloscopio y no sabes usarlo, este artículo está pensado en ti, pero si sabes utilizarlo, pasa de esto..
Muchos sabéis que durante muchos años he sido profesor de F.P. Electrónica (antigua FP) y Sonido (Ciclos Formativos). En la antigua FP (“oficialía y maestría”), mis alumnos se ponían a los mandos del osciloscopio a la segunda semana de curso, cuando empezábamos con los conceptos de electrónica. Ya no se podía pasar sin él hasta terminar los estudios. En los Ciclos Formativos y en el módulo de “Equipos de Sonido” que yo impartía, era fundamental para estudiar filtros acústicos, ganancia de amplificadores, medir potencias, impedancias de entrada-salida, sensibilidad de micrófonos, anchos de banda, etc.

Antes de ser profesor estuve algunos años en un laboratorio de investigación electrónica donde se diseñaban aparatos de uso muy popular entre la sociedad de los años 70 a 90. Los osciloscopios que allí usábamos eran “muy profesionales” (Airbag) (1), a veces de varios módulos intercambiables y claro, de T.R.C. (Tubo de Rayos Catódicos) como las TV antiguas. Ahora los que se usan en muchos laboratorios son de LED, mucho menos pesados y de tamaño más reducidos. Incluso (según nuestro punto de vista de aficionados) los hay a partir de una tarjeta USB y cosas así. Estos los desconozco. El mío es de los clásicos, de TRC.

Conceptos básicos

Un osciloscopio, de los antiguos, de TRC, consta de un haz luminoso que se desplaza de izquierda a derecha a velocidad constante. Para conseguir esto, se provee de un tubo de rayos catódicos al cual se le aplican tensiones y voltajes en su parte posterior para conseguir que eso ocurra, como ocurría con las TV antiguas. En realidad, se aplicaba en sus bobinas deflectoras (esas bobinas que había en la parte de atrás de los tubos de TV) unas señales adecuadas en forma de diente de sierra. Sí, un diente de sierra (imaginaos como es), porque es una subida recta o lineal (2) y una bajada abrupta. En la subida recta o lineal, el haz traza de izquierda a derecha y en la bajada retorna al inicio de la pantalla (hay un circuito que “apaga” el haz para que al volver no se vea). La TV era así, pero mucho más complicada (y divertida de estudiar). Al manejar los mandos del osciloscopio, lo que se hace es que ese diente de sierra vaya más rápido o más lento y sea “mezclado” (o modulado) con la señal de entrada, que es la que queremos visualizar.En términos generales, un osciloscopio del tipo normal tiene los controles (botones) necesarios para controlar el brillo, enfoque, amplitud de lo que se ve, rapidez del trazo y alguna cosa más que hace que un aparato medio tenga unos 40 ó 50 botones. A algunos nos gustan más los botones que los “menús”, a los nuevos equipos de radio me refiero. ¿O no?Entonces ¿para qué sirve? pues un aparato de semejante cantidad de botones, sirve para ver señales, su forma y aspecto. Y para estudiarlas. Un osciloscopio mide, exclusivamente, tensiones y sus tiempos. Mide tensiones porque se visualiza cómo es la señal. Así, por ejemplo, si se introduce la señal que hay a la salida de un transformador de tensión, se visualiza la forma senoidal que tiene, con su amplitud en voltios. Mide tiempos porque se mide el tiempo que tarda el haz en ir de un punto a otro y, de esta manera, con los tiempos se pueden calcular las frecuencias de la señal que estamos introduciendo; eso si la tiene, porque una tensión continua, como la salida de la fuente de alimentación o de una pila, tendrá valor de tensión, pero no de frecuencia porque es eso precisamente, continua.

Entonces, ¿para qué puedo usarlo? Eso depende del tipo de osciloscopio que uno tenga. Antes de nada, como estáis pensando en altas frecuencias, diré que, para visualizar señales de alta frecuencia, el osciloscopio será más caro o, por decirlo así, más “profesional”, ya que los circuitos interiores que tiene tendrán que trabajar a esas frecuencias más altas. Sí, pero dime para qué puedo usar un osciloscopio a ver si me interesa tener uno o, incluso, encender el que tengo muerto de risa en un rincón, el pobre. Un osciloscopio te vendrá bien para ver la ganancia de tensión de un circuito a transistor; podrás aprender bien cómo funciona un circuito a transistor del tipo de los explicados en mis artículos de iniciación a la electrónica. Podrás medir la impedancia de entrada o salida de un circuito de baja frecuencia, la impedancia de un micrófono o la de un altavoz. Podrás ajustar un filtro paso banda o paso bajo o paso alto de baja frecuencia, (para altas frecuencias es cuestión de aparatos más caros como he dicho). Podrás seguir la señal que tienes en un circuito para ver dónde se pierde o se deteriora. En el caso de señales cuadradas, podrás ajustarlas, medir sus valores en tensión y tiempos. Podrás, según los casos, ver cómo es realmente la FM (Modulación de frecuencia) o AM (modulación de amplitud). Si tienes un generador de frecuencias bajas, senoidales, triangulares, cuadradas, podrás ver por fin el aspecto que tienen. Probablemente conocerás el circuito NE555, típico oscilador. Con el osciloscopio podrás ver y ajustar frecuencias con ese circuito y otras muchas aplicaciones más.

En la Figura tenéis una foto de un típico osciloscopio. La mayoría de los osciloscopios tienen dos trazos, para ver dos señales. También los hay muy sencillos que solo tienen un haz, pero quedan muy pocos o ninguno de este tipo. Cuando tienen dos haces, el osciloscopio tiene dos conectores de entrada de señal para verlas simultánea o independientemente o, incluso, la suma de ambas. Esto te permitiría ver, por ejemplo y al mismo tiempo, la señal de entrada y de salida de un amplificador (hablo de un amplificador de audio), consiguiendo ver su ganancia y si hay distorsión o no y medir tanto la ganancia en dB como la posible distorsión. Pero eso es, ahora, materia más avanzada. Puede que lo veamos más adelante.

Voy a hacer una breve descripción de algunos conectores o mandos, no un manual de uso. Si te fijas en la Figura-1, el osciloscopio que aparece en ella tiene dos conectores de entrada (están tapados con un protector de plástico, pero son del tipo BNC), llamados Input CH I e Input CH II. 

Estas conexiones son entradas para el modo vertical, a veces se indican como Y-I e Y-II, de manera que la señal que se introduzca por ellas, hará variar el/los haz/ces de trazado en vertical. Como el haz o haces se desplazan de izquierda a derecha, la rapidez con que lo haga dependerá de la posición del mando conmutador Time/división. Como se puede ver, tanto el o los conectores de señal (Input) como la base de tiempos (Time) llevan conmutadores de selección de escalas y, si os fijáis, van (estandarizados) en modo 1, 5, 2, como ahora son las monedas y billetes de euros.

En general en las instrucciones de uso del osciloscopio suelen decir como debes poner los mandos y botones nada más encender el aparato. Puede suceder que de tanto tocar botones como un desesperado/a no se vea nada y no es porque haya avería, sino porque algún botón o mando está en una posición que hace que el trazo no se vea. Hay que tener más o menos claro qué hace cada botón para que esto no pase. Al principio, yo martirizaba a mis alumnos tocándole en los mandos para que no trazara el haz y averiguaran como hacerlo funcionar. No es difícil. Averiguarlo, no martirizar alumnos, digo.

Primer encuentro con el osciloscopio, primera práctica

Necesitamos un transformador de tensión de 230 VAC a cualquier valor más bajo, como 12, 16, 24 o cualquiera similar. Necesitamos también una sonda para conectar al osciloscopio. Una sonda es un cable terminado, por un lado, en el BNC y por el otro bien en una punta con terminal que se usa como jeringa, o bien en dos pinzas de cocodrilo, una para la malla (negra) y otra para el vivo (roja). Si no tienes sonda, siempre puedes construirte una con un trozo de cable coaxial de antena, RG58 o RG59, su conector BNC en un extremo y un par de trozos de cable rojo y negro con sus pinzas de cocodrilo roja y negra en su terminal. Lo mejor es una sonda o punta de prueba. Las hay con atenuación y sin ella. Si tienes una, observa si lleva un pequeño conmutador para atenuación (usualmente x 10). Si lo lleva, mira que esté en x1. Mira en Google como son las sondas de osciloscopio.

Cambia la posición del mando de vertical a un valor mayor (la señal se encoge) y comprueba que hay menos precisión en la medida. Pues igual que ocurre con el polímetro analógico.Conectaremos al transformador unos cables en el lado de red, 230VAC o un “cable de red” para enchufarlo a la red. A la salida del transformador podemos conectar las puntas de prueba o la sonda directamente, da igual en un sentido que en otro, no hay polaridad. También, si tienes una protoboard puedes conectar la salida con unos cablecillos a la protoboard, porque luego la usaremos para más prácticas. Si acaso.

Yo voy a suponer que la salida del transformador es de 16 voltios. Si el tuyo es de menos o más, aplicas las reglas que luego te diré.
Conecta la salida de alterna del transformador al osciloscopio en el canal CH-I o en Y1, depende del tipo de aparato o si tiene dos entradas de señal. Manipula los controles hasta que veas una señal similar a la de la Figura.

Sea o no la salida de tu transformador de 16 voltios en alterna, fíjate bien en la imagen de la Figura. Observa que la señal que se ve ocupa 5 cuadros en vertical, aproximadamente, (en tu caso puede que menos). Observa que en la parte inferior de la pantalla pone 10 V. Si tu osciloscopio no es tan avanzado y no muestra en la pantalla datos numéricos no importa, observa cómo has situado el conmutador de V/div del canal donde has conectado la sonda en el secundario, mostrará 10 voltios (voltios/división).

Vamos ahora a estudiar bien lo que vemos. Primero vemos que la medida entre la parte superior y la inferior de la señal (lo que se llama Tensión pico a pico Vpp) sale unos 50 voltios. En tu caso puede ser menos. Eso es correcto. Veremos por qué. La tensión alterna se visualiza en el osciloscopio tal cual, y es como la ves, una senoidal de 50 voltios pico a pico. Pero esto NO es lo que mide el polímetro. El polímetro mide tensiones eficaces. La relación entre una tensión pico a pico y una tensión eficaz es:

Vef = Vpp /2x1,41   es decir, Vef = 17 voltios. 

En tu caso puede que menos o más. Claro, el transformador es de 220/16, ahora son 230 voltios, luego la tensión de salida es mayor del valor indicado en la etiqueta. Estos valores no son siempre muy exactos.
Si tu transformador es de 12 voltios de salida verás una tensión de unos 37 voltios, más o menos que, aplicando la regla, dará unos 13 voltios eficaces. No te preocupes, son valores aproximados.
Ahora mira en la línea horizontal que hay en la pantalla, la que está graduada en centímetros y 0,2 centímetros de subdivisión. Verás que un ciclo completo ocupa 4 cuadros. Verás que el conmutador de horizontal, donde pone Time/div (o Time/cm) está en 5 msg. Eso hace que cuatro cuadros sean 20 msg. Si haces cuentas de que un período de 20 msg suponen 50 Hz por la razón inversa (F=1/T) habrás comprobado que, en efecto, la tensión alterna de salida tiene la misma frecuencia de la red alterna de tu casa.

Cambia la posición del mando de vertical a un valor mayor (la señal se encoge) y comprueba que hay menos precisión en la medida. Pues igual que ocurre con el polímetro analógico. 
Ahora haz otra cosa para terminar. Cambia la posición del mando de horizontal (Time) a otro valor y haz la medida de tiempo y comprueba que se sigue manteniendo la frecuencia (¿por qué iba a cambiar?), si quieres medir con precisión, mide medio período.
Cambia la posición del mando de vertical a un valor mayor (la señal se encoge) y comprueba que hay menos precisión en la medida. Pues igual que ocurre con el polímetro analógico.
Ahora, para finalizar del todo, una duda que muchos usuarios de osciloscopio tienen, pero no lo saben. Algunos osciloscopios de TRC tienen unas líneas de puntitos que indican el 0%, 10%, 90% y 100%. Sirven para dos cosas. Una es para calcular los porcentajes de subida o bajada de una señal en rampa o similar. Otra que es “casi precisa” y que yo la utilizaba para facilitar la lectura de tensiones en filtros es la siguiente: Cuando la tensión de salida cae 3 dB respecto de la de entrada, es equivalente a cuando la tensión de salida cae al 70,7 % respecto de la de entrada. Pues bien, para medir si una señal cae 3 dB, basta ponerla que ocupe 8 cuadros, de arriba abajo y calcular su 70%, que son 5,6 cuadros, “casi” la distancia que hay entre la línea que marca el 0% y el 100%. Una pizca más. Pero es que, cuando se están midiendo filtros y circuitos de forma NO profesional, hay unas tolerancias y aproximaciones que no pueden permitirse de forma científica (lo que no somos). Por eso es válida una aproximación en la medida. Otro día doy más detalles de esta forma de medir, con un ejemplo.

Notas:

(1)   Película “Airbag”. Dirigida por Juanma Bajo Ulloa