Autor:
Kumar V. Mahtani Mahtani
Profesor Ayudante en el Departamento de Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial, Universidad Politécnica de Madrid.
Artículo realizado a partir de la información de la empresa Rohde&Schwarz. Todas las figuras son propiedad de dicha empresa.
El osciloscopio es una herramienta esencial en la electrónica, utilizada para visualizar y analizar señales eléctricas. Pero, para obtener mediciones precisas y fiables, es necesario comprender no solo el funcionamiento básico del osciloscopio, sino también cómo interactuar con las sondas que se utilizan para capturar las señales. Las sondas son piezas clave en la medición, ya que conectan el osciloscopio con el circuito en el que se mide la señal. Existen diferentes tipos de sondas, cada una adecuada para diferentes aplicaciones y situaciones, y es fundamental entender cómo utilizarlas correctamente para obtener resultados precisos.
Tipos de sondas: pasivas vs. activas
Existen dos tipos principales de sondas para osciloscopios: las pasivas y las activas. Cada una tiene sus propias ventajas y limitaciones, y la elección entre una u otra depende de la aplicación específica. Las sondas pasivas son las más sencillas y económicas. No requieren una fuente de energía externa, lo que las hace muy prácticas y fáciles de usar. Estas sondas son ideales para tareas generales y se incluyen comúnmente con los osciloscopios. Se caracterizan por su robustez y fiabilidad, y son especialmente útiles para medir señales en una amplia gama de frecuencias sin complicaciones.
Por otro lado, las sondas activas son más sofisticadas y costosas. Estas sondas incluyen componentes activos, como transistores de efecto de campo (FET), que permiten manejar señales de alta frecuencia con mayor precisión. Las sondas activas ofrecen un rendimiento superior en términos de ancho de banda y precisión, lo que las hace imprescindibles en aplicaciones que requieren medidas detalladas de señales rápidas y de alta frecuencia, como las utilizadas en circuitos de RF o comunicaciones. Aunque su precio es más elevado, su capacidad para ofrecer una medición más precisa justifica la inversión en situaciones de alta demanda.
Compensación de las sondas pasivas
Una de las prácticas más importantes al usar sondas pasivas es la compensación. Si no se realiza la compensación correctamente, la señal medida puede aparecer distorsionada, especialmente a altas frecuencias, lo que afecta la precisión de los resultados. La compensación ajusta la capacidad eléctrica de la sonda para que la forma de onda que se mide sea lo más fiel posible a la señal original.
El proceso de compensación de una sonda pasiva es sencillo pero crucial. Primero, se conecta la sonda al osciloscopio y se coloca el cable de puesta a tierra. Luego, se utiliza una señal de referencia, como una onda cuadrada de 1000 Hz, que la mayoría de los osciloscopios incorporan para facilitar este proceso. Ajustando el condensador de compensación en la sonda hasta que la forma de onda cuadrada se vea lo más rectangular posible, se logra la compensación adecuada. Si la forma de onda tiene picos en los flancos, se sabe que la sonda está sobrecompensada o infracompensada, lo que se corrige ajustando el condensador de forma precisa.
Cables de puesta a tierra cortos para una mejor precisión
Otro consejo clave es utilizar cables de puesta a tierra lo más cortos posible. Las sondas pasivas miden la señal en relación con la masa, y una conexión a tierra adecuada es esencial para obtener mediciones correctas. Sin embargo, los cables de puesta a tierra largos pueden introducir inductancia adicional, lo que afecta negativamente las señales, especialmente a frecuencias altas. Esto puede generar sobreoscilaciones, distorsiones o errores en las mediciones. Por lo tanto, siempre que sea posible, se deben usar cables cortos y de buena calidad para reducir estos efectos indeseados.
Impedancia de entrada correcta: la clave para medidas fiables
La impedancia de entrada es otro factor crucial en el proceso de medición con osciloscopios. Algunos osciloscopios permiten seleccionar entre diferentes impedancias de entrada, típicamente 50 ohmios o 1 megaohmio. La selección correcta depende de la naturaleza de la señal que se está midiendo. Por ejemplo, para señales de alta frecuencia o RF, es común utilizar una impedancia de entrada de 50 ohmios, mientras que las sondas pasivas generalmente funcionan mejor con una impedancia de 1 megaohmio.
Elegir la impedancia correcta asegura que las mediciones sean precisas. Si se selecciona una impedancia incorrecta, la señal medida puede ser incorrecta. En aplicaciones de alta frecuencia, como en pruebas de RF, es vital elegir la impedancia adecuada para evitar distorsiones en las señales y asegurar la exactitud de las mediciones.
Sondas de corriente y la función de desmagnetización
Las sondas de corriente, que se utilizan para medir la corriente en un circuito, tienen una particularidad que puede afectar la precisión de las mediciones: el fenómeno de retención del magnetismo. Después de medir una corriente, especialmente en circuitos que se encienden y apagan, la sonda puede retener una cierta cantidad de magnetismo, lo que introduce un “offset” o desviación en las mediciones posteriores. Para resolver este problema, muchas sondas de corriente cuentan con una función de desmagnetización, que se activa para eliminar el magnetismo residual.
El proceso de desmagnetización es rápido y eficaz, y se debe realizar antes de cada medición para asegurar que las lecturas sean precisas. Al activar la función de desmagnetización, la sonda genera una señal especial que elimina cualquier magnetismo residual y restablece la sonda a su estado inicial, listo para una medición precisa.
Mejora de sensibilidad con devanados adicionales
Una forma sencilla de mejorar la sensibilidad de las sondas de corriente es arrollar el conductor a través de la sonda varias veces. Al hacerlo, se aumenta la sensibilidad de la medición de manera lineal con el número de vueltas del conductor. Por ejemplo, si el conductor pasa por la sonda 4 veces, la sensibilidad aumenta en un factor de 4. Este método es particularmente útil cuando se miden corrientes pequeñas. Aunque el número de arrollamientos incrementa la impedancia de inserción, este efecto es mínimo y no suele afectar la precisión de las mediciones.
Sondas diferenciales para medidas flotantes
En ocasiones, es necesario realizar mediciones en puntos del circuito que no están conectados a tierra, lo que se conoce como medición flotante. Para estas mediciones, las sondas diferenciales son la herramienta ideal. A diferencia de las sondas convencionales, que miden la tensión con respecto a tierra, las sondas diferenciales miden la diferencia de tensión entre dos puntos de un circuito, lo que las hace perfectas para señales flotantes.
Las sondas diferenciales tienen la ventaja de ofrecer una mayor precisión al rechazar el ruido en modo común, es decir, el ruido que afecta a ambas entradas de manera similar. Esto las hace esenciales en entornos donde las señales flotantes deben medirse con alta precisión y sin interferencias. Además, las sondas diferenciales protegen tanto a los equipos como a los operadores de los riesgos asociados con las conexiones a tierra accidentales.
Sondas activas para medidas de alta precisión
Para las aplicaciones más exigentes, como la medición de señales de alta frecuencia o señales de baja amplitud superpuestas a señales de alta intensidad, las sondas activas son la mejor opción. Estas sondas ofrecen una capacitancia de entrada significativamente menor en comparación con las sondas pasivas, lo que reduce la carga en el circuito y permite una reproducción más precisa de la señal medida. Además, su mayor ancho de banda las hace ideales para señales rápidas, como las de las fuentes de alimentación con rizado.
En resumen, el uso correcto de las sondas con osciloscopios es esencial para obtener mediciones precisas y fiables. La elección entre sondas pasivas y activas, la correcta compensación de las sondas pasivas, el uso adecuado de los cables de tierra y la selección de la impedancia de entrada correcta son solo algunas de las prácticas que garantizan mediciones precisas. Con una comprensión adecuada de cómo utilizar estas herramientas y un enfoque cuidadoso en las mediciones, los estudiantes de electrónica podrán aprovechar al máximo las capacidades de sus osciloscopios y obtener resultados más fiables y detallados.
