El osciloscopio: ajustes iniciales y cómo medir tensión y frecuencia

Con el multímetro ya sabes cuánto vale una tensión, pero no sabes cómo es. Un cargador de laptop sano y uno defectuoso pueden marcar casi lo mismo en el multímetro y, sin embargo, uno de ellos tiene un ruido que hace reiniciar la máquina. Para ver la forma de la señal en el tiempo existe el osciloscopio: dibuja en una pantalla cuadriculada la tensión en el eje vertical contra el tiempo en el eje horizontal.

Tipos de osciloscopio#

• Analógico: un haz de electrones en un tubo de rayos catódicos dibuja la señal en tiempo real. Es inmediato, pero no guarda nada y solo muestra señales repetitivas.
• Digital de almacenamiento (DSO): convierte la señal a números con un convertidor analógico-digital, la guarda en memoria y la dibuja en una pantalla LCD. Permite congelar la imagen, hacer mediciones automáticas y guardar capturas. Es el más usado hoy en colegios y talleres.
• Con computadora (USB): una caja pequeña que se conecta por USB y se maneja con un programa en la PC o la laptop. Barato y portátil.

Una característica que se mira al comprar o usar uno es el ancho de banda: la frecuencia máxima que mide con exactitud. Para ver bien una señal, el ancho de banda debe ser al menos cinco veces su frecuencia. Para la red de 60 Hz sobra cualquiera; para ver un reloj de 25 MHz hacen falta unos 125 MHz.

Los controles que importan#

Un osciloscopio parece una cabina de avión, pero casi todo se reduce a cuatro grupos:

• Vertical (V/div): cuántos voltios representa cada cuadro de la pantalla. Es la sensibilidad. Con 5 V/div, una onda que ocupa 3 cuadros de alto mide 15 V.
• Base de tiempo (s/div): cuántos segundos representa cada cuadro en horizontal. Con 5 ms/div, un ciclo de 3,33 cuadros dura 16,7 ms.
• Disparo (trigger): le dice al equipo dónde empezar a dibujar la señal para que la imagen quede quieta. Si el disparo está mal, la onda corre por la pantalla.
• Acoplamiento (AC/DC/GND): en DC se ve la señal completa, con su nivel continuo. En AC se bloquea la componente continua y se ve solo la parte alterna, útil para mirar un pequeño rizado sobre 12 V. En GND la entrada se conecta a tierra y sirve para fijar la línea de cero.

Si el equipo tiene dos canales, cada uno tiene sus propios controles verticales, y se pueden ver dos señales a la vez.

Ajustes iniciales#

Antes de medir:

1. Enciende el equipo y espera unos segundos a que se estabilice.
2. Pon el acoplamiento en GND y centra la línea con el control de posición vertical para que quede en la línea central de la pantalla. En un analógico, ajusta también el brillo y el enfoque para una línea fina.
3. Conecta la punta al canal y selecciona el factor correcto (1x o 10x) en la punta y en el menú del canal. Si la punta está en 10x y el equipo en 1x, todas tus lecturas saldrán diez veces más pequeñas.
4. Conecta la punta a la salida de calibración (una onda cuadrada de alrededor de 1 kHz y de 0,5 a 5 V, según el modelo), pon el acoplamiento en DC y compensa: con un destornillador pequeño ajusta el tornillo de la punta hasta que la cuadrada tenga esquinas rectas, sin pico ni redondeo.
5. Regresa a la señal por medir, con V/div y s/div tales que la onda ocupe la mayor parte de la pantalla, y ajusta el disparo hasta que la imagen se quede quieta.

Medir tensión#

Ejemplo. Un transformador de 12 V eficaces. Tienes que ver Vpp = 2 × 1,414 × 12 = 33,9 V.

Solución. Elige 10 V/div, con la punta en 1x. La onda ocupará 3,4 divisiones de pico a pico: 3,4 × 10 = 34 V. El valor pico es la mitad, 17 V, y el eficaz es 17/1,414 = 12 V. Medir con el multímetro en CA y con el osciloscopio debe dar el mismo valor.

La corriente no se mide directo con el osciloscopio: se pone un resistor pequeño en serie (por ejemplo 1 Ω) y se mide la tensión en él. Entonces I = V/R, y a 1 Ω un voltio es un amperio.

Medir periodo y frecuencia#

Ejemplo. La señal PWM que regula el ventilador de 4 pines de una computadora tiene unos 25 kHz. ¿Cuántas divisiones ocupa un ciclo con 10 µs/div?

Solución. T = 1/25 000 = 40 µs, que son 4 divisiones con 10 µs/div. Si en la pantalla ves 4 cuadros por ciclo, la frecuencia es la esperada. Al aumentar la velocidad del ventilador, lo que cambia es el ancho del pulso, no la frecuencia.

Ejemplo con la red. Un ciclo ocupa 3,3 divisiones con 5 ms/div: T = 16,5 ms y f = 1/0,0165 = 60,6 Hz. Es 60 Hz con el error normal de leer a ojo.

Medir fase entre dos señales#

Con dos canales, muestra las dos ondas con el mismo disparo. Mide cuántas divisiones dura un ciclo completo y cuántas separa el cruce por cero de una y de la otra.

Ejemplo. Un ciclo ocupa 4 divisiones y la onda B cruza por cero 0,6 divisiones después que la A.

Solución. φ = (0,6/4) × 360° = 54°. B está atrasada 54° respecto a A. Este procedimiento sirve para ver cómo un capacitor o un inductor desfasan la corriente en un circuito, con la caída de tensión en una resistencia como imagen de la corriente.

Seguridad con el osciloscopio#

La pinza de tierra de la punta está conectada a la tierra del tomacorriente a través del cable de alimentación. Esto tiene una consecuencia seria: si la pinza se conecta a un punto del circuito que no está a potencial de tierra (por ejemplo, la línea viva de un aparato conectado a la red), se forma un cortocircuito a través del osciloscopio. Hay chispa, puede quemarse el equipo y quien sostiene la punta puede recibir un choque.

• Mide aparatos alimentados desde la red solo a través de un transformador de aislamiento.
• No quites el pin de tierra del enchufe del osciloscopio para “flotarlo”. Esa es una práctica peligrosa, porque deja la carcasa metálica con tensión posible.
• Conecta primero la pinza de tierra al punto de referencia y luego la punta al punto de medida. Retira en orden inverso.
• No superes la tensión máxima indicada del canal ni de la punta (muchas puntas 10x llegan a 300 V o 600 V).

Errores frecuentes#

• Olvidar el factor de la punta y reportar tensiones diez veces menores.
• Dejar la perilla de ajuste fino (variable) del V/div o del s/div fuera de su posición calibrada: las divisiones ya no valen lo que indica el selector.
• Leer la frecuencia con el acoplamiento mal puesto o sin disparo estable.
• Usar una punta sin compensar, que deforma ondas rápidas.

Para practicar, mide con tu osciloscopio la salida de calibración, la salida de un transformador de timbre o de 12 V, y el rizado de una fuente de PC con acoplamiento AC, en el conector de salida y sin abrir la fuente. Anota cada lectura con su escala y su cálculo.

Ponte a prueba#

En el osciloscopio ves una onda senoidal que ocupa 4,2 divisiones de pico a pico con la escala en 5 V/div y una punta en 10x. ¿Cuánto vale el Vpp?#

Un ciclo completo ocupa 3,3 divisiones con la base de tiempo en 5 ms/div. ¿Cuál es la frecuencia?#

¿Para qué sirve la salida de onda cuadrada de calibración y qué se ajusta con ella?#

Dos ondas del mismo periodo ocupan 4 divisiones por ciclo y una cruza por cero 0,5 divisiones después que la otra. ¿Qué desfase hay?#

¿Por qué no se debe conectar el cable de tierra del osciloscopio a un punto de un circuito conectado a la red sin transformador de aislamiento?#

Fuentes#

• Ministerio de Educación Pública — Programa de estudio de Electrónica, Educación Diversificada (MEP, Costa Rica) (PDF)