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Tema 5 Epígrafe 5.3
Osciloscopio Electrónico.
Se explica el principio de funcionamiento del tubo de rayos catódicos y se
describen sus elementos fundamentales. Se analiza el circuito elemental del
osciloscopio y la función de los circuitos auxiliares.
Conceptos clave
1. El tubo de rayos catódicos se puede usar como un instrumento analógico
donde el elemento móvil es un haz de electrones.
2. La masa del haz de electrones es muy pequeña por lo que puede
responder a variaciones rápidas de la tensión de las placas deflectoras.
3. La desviación horizontal o vertical del haz de electrones se realiza a
través de la tensión aplicada a las placas deflectoras.
4. Para visualizar la forma de onda de la señal debe aplicarse a las placas
horizontales una tensión en forma de diente de sierra denominada
barrido.
5. Para obtener una imagen estática de la forma de onda se realiza el
proceso de sincronización utilizando un circuito que retiene el inicio del
barrido hasta que la señal tome un valor y una pendiente determinada.
Desarrollo de contenidos
Tubo de rayos catódicos
Los elementos fundamentales son:
 Un tubo de vidrio al vacío o lleno de gas inerte.
 Un cañón electrónico
 Dos pares de placas de deflexión.
 Una pantalla recubierta de sustancia fosforescente.
U + 15 KV
brillo
_
U
foco
filam.
rejilla
ánodos
aceleradores
placas deflectoras
Fig. 5.3.1 Esquema y polarizaciones del tubo de rayos catódicos.
En el tubo de vidrio se hace un vacío suficiente para que los electrones puedan
atravesarlo fácilmente cuando se les aplique un potencial acelerador.
Todos los elementos internos del tubo se conectan a través de la base del
mismo excepto la conexión de alta tensión que se realiza cerca del la pantalla.
El denominado cañón electrónico tiene la finalidad de producir una emisión de
electrones que, acelerados y enfocados sobre la pantalla fluorescente producen
un destello luminoso continuo.
El cañón electrónico está formado por los elementos siguientes:
 El filamento o calefactor cuya función es calentar el cátodo.
 El cátodo, que cubre al filamento y está formado por una sustancia que
emite electrones fácilmente.
 La rejilla de control, que cubre completamente a los elementos anteriores
y solo tiene un orificio por donde pueden salir los electrones. Está
polarizada negativamente con respecto al ánodo. Mientras mas negativa
sea menos electrones pasan por el orificio. Su potencial se varía con el
control de brillo o intensidad de la luminosidad en la pantalla.
 Los ánodos aceleradores, polarizados positivamente, actúan como un
lente electrónico, acelerando y concentrando los electrones en la pantalla.
Su potencial se varía a través del control de foco.
 Las placas de deflexión, dos horizontales y dos verticales, que tienen la
función de desviar el haz de electrones hacia cualquier punto de la
pantalla al aplicárseles las tensiones correspondientes.
Una vez conectado el equipo a la fuente de alimentación se gradúa el punto
luminoso en la pantalla hasta que se vea nítidamente mediante los ajustes de
brillo y foco.
Del tubo de rayos catódicos interesa solo la función de las placas deflectoras en
la adelante, por lo que se representará por un círculo con los dos pares de
placas solamente como se muestra en la figura 5.3.2.
Para desviar el haz de electrones en cualquier sentido hace falta aplicar una
tensión relativamente alta. La constante de escala para los tubos más sensibles
es de unos 20 V/cm y en la generalidad del orden de 50V/cm. Por este motivo
es necesario conectar un amplificador a las placas verticales y horizontales,
denominados respectivamente amplificador vertical y horizontal, que hacen
posible la observación de tensiones pequeñas en el osciloscopio.
Cada uno de estos amplificadores tiene un control de la tensión de CD de salida
Posición
vertical
Amp.
vert.
UY
Posición
horizontal
UX
Amp.
horiz.
Fig.5.3.2 Amplificadores y ajustes de posición
de forma que con señal cero a la entrada se puede variar la posición del haz de
electrones vertical u horizontalmente y situarlo en cualquier punto de la pantalla.
Estos son los ajustes de posición vertical y horizontal que se encuentran en el
panel de controles.
Visualización de ondas periódicas. Barrido.
Para poder observar la forma de onda de las tensiones en función del tiempo, el
haz de electrones debe desplazarse uniformemente, en sentido horizontal, de un
extremo a otro de la pantalla. Esto se logra aplicando a las placas de deflexión
horizontal una tensión en forma de rampa o “diente de sierra” como se muestra
en la figura 5.3.3.
Ux
T2
t
T1
T1
T2
El
haz
de
electrones
se
desplazará a velocidad constante de izquierda a derecha durante un tiempo T 1.
Al cabo de este tiempo se hace regresar el haz de electrones rápidamente al
punto inicial para iniciar un nuevo recorrido. A este proceso se le denomina
barrido y a T1 tiempo de barrido. En la pantalla se observa una línea horizontal
de intensidad uniforme.
El tiempo T2 generalmente es mucho más pequeño que T 1 y el movimiento del
haz de electrones es tan rápido que no da tiempo a que el material fosforescente
de la pantalla se impresione y por eso la trayectoria de retorno no se puede ver.
No obstante para asegurar
UY
que no se vea la trayectoria
de
retorno
en
algunos
osciloscopios se aplica un
potencial negativo a la rejilla
del tubo de rayos catódicos,
suficiente para impedir el paso
de
electrones
hacia
la t
t1 t2 t3 t4
0
t0
pantalla.
t
1
Al
aplicar
una
tensión
t2
cualquiera a las placas de
UX
t3
deflexión vertical cada valor
t4
instantáneo de la misma hará
desplazarse
el
haz
de
Fig. 5.3.4. Visualización de la forma de onda
electrones en sentido vertical.
en el osciloscopio
Se observará en la pantalla
Fig. 5.3.3 Tensión de diente de sierra. Barrido
una línea vertical de intensidad variable dependiendo de la forma de onda.
Para poder ver la forma de onda se aplican al mismo tiempo la onda a observar
en las placas de deflexión vertical (eje Y) y el barrido en las placas de deflexión
horizontal (eje X). En la figura 5.3.4 en el círculo se ilustra el recorrido del haz de
electrones para un período de una onda sinusoidal.
Para generar la tensión de barrido que se aplica a las placas de desplazamiento
horizontal se utiliza un circuito que es básicamente un circuito integrador activo
a la entrada del amplificador vertical. El circuito básico se muestra en la figura
5.3.5 con una fuente de CD a la entrada (UE)y un comparador a la salida. La
salida del comparador controla la apertura o cierre de un transistor, que pone en
corto circuito y descarga el capacitor de realimentación del circuito integrador
cada vez que la tensión de salida US alcance el valor de la tensión de referencia
UR.
El tiempo de barrido T1 se determina por la ecuación
U
T1  RC R
UE
T1
Comparador
U
R
UE +
UR
C
+
US
+
+
UR
US
T1
Fig.5.3.5-Generador de barrido
La frecuencia de barrido se regula por alguno de los elementos de la ecuación,
generalmente la tensión de entrada o la resistencia del circuito integrador. Para
variar esta frecuencia el generador de barrido dispone de un control calibrado en
seg/cm o unidades múltiplos de esta que constituyen la constante de tiempo del
eje X. Multiplicando la constante de tiempo por la longitud medida en el eje X se
obtiene el tiempo de duración que se desea medir en la señal observada.
El generador de barrido suele tener un ajuste de frecuencia continuo para
facilitar algunas operaciones de medición, pero este altera la calibración en
tiempo del eje X en una proporción desconocida. Por tanto para realizar las
mediciones de tiempo con la constante del control de barrido por pasos, el
control de barrido continuo debe estar en su posición extrema máxima o de
calibración, que aparece señalada en el equipo.
t
Sincronización
Generalmente el periodo de la tensión investigada no es igual al tiempo de
barrido. Aunque este último se puede variar, la igualdad generalmente se
mantiene por poco tiempo pues la frecuencia de los circuitos y la propia del
osciloscopio varían con el tiempo. Cuando esto ocurre, la repetición de las
imágenes no se produce en el mismo lugar de la pantalla y se observa un efecto
de movimiento de la onda a la derecha o a la izquierda.
Sincronización manual.- Para hacer que la imagen se vea estática se puede
variar manualmente la frecuencia de barrido hasta detener el movimiento de la
onda. Generalmente esto se mantiene por poco tiempo pues cualquier variación
de una de las dos frecuencias provoca de nuevo el efecto de movimiento.
Sincronización automática.- Se sitúa un circuito detector de nivel que controla el
inicio del barrido y no permite que comience hasta que la tensión investigada
alcance un nivel o valor determinado. A este circuito se le denomina control de
sincronismo y para iniciar el barrido puede tomar como referencia la señal bajo
prueba o una señal externa.
Entre cada tiempo de barrido hay un tiempo de espera hasta que la señal pase
por el nivel fijado en el circuito de sincronismo con la pendiente escogida.
UY
Sincr
Ext.
Ext.
Amp.
Y
Int.
Circ.
Sincr
.
Gen.
barri
do
Ajuste de nivel
Fig. 5.3.6- Circuito de sincronización
Ampl
X
U0X
La sincronización automática permite ver la forma de onda estática en la pantalla
aun que no sea un número entero de ciclos.
UY
UTR
t
UX
tbarrido
tespera
t
Vista en el osciloscopio
Fig. 5.3.7- Sincronización automática
Divisores de entrada de los amplificadores.
Los amplificadores de entrada deben tener la posibilidad de ajustar cualquier
nivel de la señal de entrada a la tensión de salida que se aplica a las placas de
deflexión del tubo de rayos catódicos. Generalmente el amplificador se realiza
para una tensión de entrada del orden de los milivolt y tensión de salida de
cientos de volt con un solo coeficiente de amplificación.
El ajuste de señales de diferentes valores se hace con un divisor de tensión o
atenuador a la entrada del amplificador. El mismo tiene la posibilidad de eliminar
la componente de CD de la señal conectando un capacitor en serie con el divisor
o conectar la entrada del divisor al punto común o nivel de tensión cero del
equipo.
Los divisores de entrada permiten medir tensiones del orden de las decenas de
volt, generalmente no más de 100. Para medir tensiones mayores se utiliza un
cable de conexión con un atenuador en la punta que está compuesto por una
resistencia y un capacitor que necesita ajuste para medir señales de impulsos de
diferentes frecuencias con poca distorsión.
X1
CA
CD
CD
Rn
CD
CD
CD
X10
CD
a placas de
deflexión
0
Ampl.
Y
CD
R2
CD
Rp
X Kmáx
R1
CD
Fig. 5.3.8 Divisor de entrada y punta de prueba con atenuador
Osciloscopio de doble canal.
Para observar dos tensiones simultáneamente la mayoría de los osciloscopios
poseen dos canales de entrada. Se hace utilizando una llave electrónica que
conecte consecutivamente las dos señales a la entrada del amplificador vertical.
UY
1
Aten
Y1
Llave electrónica
Amp
.
Y
UY 2
Aten
Y2
fc
CH
GI
Circ.
control
ALT
Generador de
impulsos
Bi
Biestable
del generador
de barrido
La operación del conmutador electrónico se realiza a través de un generador
de ondas cuadradas Gi cuando se conecta a la posición CH (chopped) como
se muestra en la figura 5.3.9. En la posición ALT del interruptor se utiliza un
biestable que conecta un canal durante un período de barrido y el otro
durante el período siguiente.
De acuerdo a la forma de actuar de la llave electrónica el doble canal se obtiene
en las dos formas siguientes:
1) Se conmutan las señales a una frecuencia muy superior a su propia
frecuencia (tensiones conmutadas, chopped).
f c >> fu Y1 , fu Y2
Las señales aparecen seccionadas en líneas de puntos alternos como se
muestra en la figura 5.3.10. Si la frecuencia de conmutación es
suficientemente alta no se verán discontinuidades debido al efecto de
dispersión de la luz entre dos puntos consecutivos.
2) Se conmutan las señales a la frecuencia de barrido del osciloscopio
(tensiones alternas).
fc = fu x
Las señales aparecen durante un ciclo completo alternándose. Si la
frecuencia de barrido es baja se verá la aparición consecutiva de cada onda
en la pantalla. Para frecuencias altas se verán las dos ondas al mismo
tiempo por el efecto de persistencia de la imagen en la retina.
En la figura 5.3.10 se muestran las formas de onda que se observan en la
pantalla para dos ciclos de barrido.
Señales conmutadas- chopped
UX
tbarrido
tespera
Barridos conmutados- Alt.
Vista en el osciloscopio
Fig. 5.3.10 Visualización de la señal con doble canal
t
Ejercicios