El osciloscopio en el automóvil

1 ¿Qué es un osciloscopio?

El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo.

2. ¿Qué podemos hacer con un osciloscopio?.

Básicamente esto:

• Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.
• Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.
• Determinar que parte de la señal es DC y cual AC.
• Localizar averías en un circuito.
• Medir la fase entre dos señales.
• Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc.

2. Terminología. El calidoscopio en el automóvil

Estudiar sobre un tema implica conocer nuevos términos técnicos. Este capitulo se dedica a explicar los términos más utilizados en relación con el estudio de los osciloscopios.

2.1. Términos utilizados al medir

Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen ondas de sonido, ondas oceánicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. Un osciloscopio mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se repite en el tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de una onda. Una forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y). La forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la señal. En cualquier momento podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo (sí observamos, por ejemplo, una línea horizontal podremos concluir que en ese intervalo de tiempo la señal es constante). Con la pendiente de las líneas diagonales, tanto en flanco de subida como en flanco de bajada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro, pueden observarse también cambios repentinos de la señal (ángulos muy agudos) generalmente debidos a procesos transitorios.

2.2. Tipos de ondas

Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes:

• Ondas senoidales
• Ondas cuadradas y rectangulares
• Ondas triangulares y en diente de sierra.
• Pulsos y flancos ó escalones.

2.2.1. Ondas senoidales

Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma, las señales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales.  La señal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en fenómenos de oscilación, pero que no se mantienen en el tiempo.

2.2.2. Ondas cuadradas y rectangulares

Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en sí mismas todas las frecuencias). La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores.  Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.

2.1.3. Ondas triangulares y en diente de sierra

En ellas las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas. La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente.

2.1.4. Pulsos y flancos ó escalones

Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias. Un flanco ó escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se conecta un interruptor de alimentación o se alimenta a un inyector. En el ejemplo de la conexión de un interruptor, el pulso indicaría que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado.

3. Medidas en las formas de onda.

En esta sección describimos las medidas más corrientes para describir una forma de onda.

3.1. Periodo y Frecuencia

Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hercios (Hz) y es igual al numero de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1 ciclo por segundo. Una señal repetitiva también posee otro parámetro: el periodo, definiendose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo. Período y frecuencia son recíprocos el uno del otro:

3.2. Voltaje

Voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una señal (V_pp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa.

3.3. Fase.

La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un circulo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360º. Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no estén en fase (caso del alternador), o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas señales. En este caso se dice que ambas señales están desfasadas, pudiéndose medir el desfase con una simple regla de tres: Siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra.

4. Técnicas de medida

4.1. Introducción

Esta sección explica las técnicas de medida básicas con un osciloscopio. Las dos medidas más básicas que se pueden realizar con un osciloscopio son el voltaje y el tiempo, al ser medidas directas. Esta sección describe como realizar medidas visualmente en la pantalla del osciloscopio. Algunos osciloscopios digitales poseen un software interno que permite realizar las medidas de forma automática. Sin embargo, si aprendemos a realizar medidas de forma manual, estaremos también capacitados para chequear las medidas automáticas que realiza un osciloscopio digital.

4.2. La pantalla

Fíjate en la siguiente figura que representa la pantalla de un osciloscopio. Deberás notar que existen unas marcas en la pantalla que la dividen tanto en vertical como en horizontal, forman lo que se denomina retícula ó rejilla. La separación entre dos líneas consecutivas de la rejilla constituye lo que se denomina una división. Normalmente la rejilla posee 10 divisiones horizontales por 8 verticales del mismo tamaño (cercano al cm), lo que forma una pantalla más ancha que alta. En las líneas centrales, tanto en horizontal como en vertical, cada división ó cuadro posee unas marcas que la dividen en 5 partes iguales (utilizadas como veremos más tarde para afinar las medidas)  Algunos osciloscopios poseen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100% para facilitar la medida de tiempos de subida y bajada en los flancos (se mide entre el 10% y el 90% de la amplitud de pico a pico). Algunos osciloscopios también visualizan en su pantalla cuantos voltios representa cada división vertical y cuantos segundos representa cada división horizontal.

4.2. Medida de voltajes.

Generalmente cuando hablamos de voltaje queremos realmente expresar la diferencia de potencial eléctrico, expresado en voltios, entre dos puntos de un circuito. Pero normalmente uno de los puntos esta conectado a masa (0 voltios) y entonces simplificamos hablando del voltaje en el punto A (cuando en realidad es la diferencia de potencial entre el punto A y GND). Los voltajes pueden también medirse de pico a pico (entre el valor máximo y mínimo de la señal). Es muy importante que especifiquemos al realizar una medida que tipo de voltaje estamos midiendo. El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otros medidas se pueden realizar a partir de esta por simple cálculo (por ejemplo, la de la intensidad ó la potencia). Los cálculos para señales CA pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para medir otras magnitudes es empezar por el voltaje. En la figura anterior se ha señalado el valor de pico V_P, el valor de pico a pico V_pp, normalmente el doble de V_p y el valor eficaz V_ef ó V_RMS (root-mean-square, es decir la raíz de la media de los valores instantáneos elevados al cuadrado) utilizada para calcular la potencia de la señal CA. Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es fácil, simplemente se trata de contar el número de divisiones verticales que ocupa la señal en la pantalla. Ajustando la señal con el mando de posicionamiento horizontal podemos utilizar las subdivisiones de la rejilla para realizar una medida más precisa. (Recordar que una subdivisión equivale generalmente a 1/5 de lo que represente una división completa). Es importante que la señal ocupe el máximo espacio de la pantalla para realizar medidas fiables, para ello actuaremos sobre el conmutador del amplificador vertical. 

4.2.1. Ejemplo. En este gráfico se puede apreciar que está seleccionada la tensión de 2 voltios por división en el eje vertical y 200 us en tiempo por división en el eje horizontal. Al ser una señal con componente alterna, las tensiones medidas y representadas son  positivas y negativas con respecto al valor 0 voltios o eje central.

• Selección de AC / DC y efecto en pantalla:

A continuación se muestran dos gráficas que muestran el efecto que se tiene cuando se varía la selección de tensión continua o tensión alterna. Señal continúa DC Si al realizar la medida, se observa que la señal desaparece por la parte inferior de la pantalla, esto es síntoma que la señal que estamos midiendo tiene componente de signo negativo y por lo tanto debemos tratarla como una señal alterna. Para efectuar el cambio de escala, utilizar los controles indicados a continuación: Pulsando la tecla A, la captura es en alterna (AC) y pulsando la tecla D la captura es en continua (DC). Si capturamos una señal continua como alterna, el equipo nos mostrará la componente alterna de la señal. Por ejemplo, si medimos la tensión de batería de un vehículo en marcha, al medir como DC medimos continua, esto es, unos 12V; si medimos como alterna nos capturará una señal alterna de unos 20mv de amplitud que es el rizado del alternador. Señal alterna AC Cada canal se puede seleccionar con diferentes tensiones de AC o DC.

• Selección de tensión y efecto en pantalla:

A continuación se muestran dos gráficas que muestran el efecto que se obtiene en pantalla cuando se varía el valor de la tensión de alimentación. Escala de tensión 5V/div. Señal que visualizamos con una selección de escala de tensión (selección vertical) de 5 voltios por división. Como la señal aparece en la parte inferior de la pantalla y los valores de tensión no se pueden precisar, conviene utilizar una escala de medida que se aproxime al valor máximo de la tensión de la señal que estamos midiendo. Para efectuar el cambio de escala, utilizar los controles indicados a continuación: En el display nos indica la tensión por división que estamos seleccionando. Una vez seleccionada la escala apropiada, la imagen en pantalla será como la representada a continuación. Escala de tensión 2V/div El seleccionar una escala de tensión inferior (2 voltios por división) hace que el tamaño de la imagen se vea ampliada, pudiendose definir mejor los valores de tensión de la gráfica y poder realizar la medida con mayor precisión. 4.3. Medida de tiempo y frecuencia. Para realizar medidas de tiempo se utiliza la escala horizontal del osciloscopio. Esto incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de subida y bajada de impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realiza calculando la inversa del periodo. Si centramos la señal utilizando el mando de posicionamiento vertical podemos utilizar las subdivisiones para realizar una medida más precisa. 4.3.1. Ejemplo. Selección de tiempo y efecto en pantalla: Con la selección de tiempo, ajustamos la  gráfica en sentido horizontal pudiendo ampliarla o reducirla variando el tiempo por división. Este efecto se produce directamente según se varíe la selección de tiempo. A continuación se muestran dos gráficas que muestran el efecto que se tiene cuando se varía el valor de  tiempo. Escala de tiempo 1msg /div. Estando seleccionada la escala de tiempo a 1msg por división, aparecen diferentes ciclos de la misma señal, siendo difícil poder calcular el tiempo real por ciclo. Se deberá cambiar la escala para ajustar esta señal y medir correctamente. El cambio de escala de tiempo se selecciona con las teclas de cursor indicadas en el dibujo y el valor de división se visualiza en el display. Escala de tiempo 200usg /div. Realizada la nueva selección de tiempo por división vemos que en esta gráfica si es posible conocer el tiempo de cada ciclo con mayor precisión y poder calcular la frecuencia de esta misma señal. 4.4. Medida de tiempos de subida y bajada en los flancos. En muchas aplicaciones es importante conocer los detalles de un pulso, en particular los tiempos de subida ó bajada de estos.  Las medidas estándar en un pulso son su anchura y los tiempos de subida y bajada. El tiempo de subida de un pulso es la transición del nivel bajo al nivel alto de voltaje. Por convenio, se mide el tiempo entre el momento que el pulso alcanza el 10% de la tensión total hasta que llega al 90%. Esto elimina las irregularidades en las bordes del impulso. La medida en los pulsos requiere un fino ajuste en los mandos de disparo. Para convertirse en un experto en la captura de pulsos es importante conocer el uso de los mandos de disparo que posea nuestro osciloscopio. Una vez capturado el pulso, el proceso de medida es el siguiente: se ajusta actuando sobre el conmutador del amplificador vertical y el y el mando variable asociado hasta que la amplitud pico a pico del pulso coincida con las líneas punteadas (ó las señaladas como 0% y 100%). Se mide el intervalo de tiempo que existe entre que el impulso corta a la línea señalada como 10% y el 90%, ajustando el conmutador de la base de tiempos para que dicho tiempo ocupe el máximo de la pantalla del osciloscopio. 4.4.1. Ejemplo Modo de disparo: Cuando queremos sincronizarnos con la señal en un punto determinado, es necesario determinar el modo de disparo y el nivel de tensión. Esto se utiliza para sincronizar la señal en el inicio de la pantalla (lado izquierdo). Si no se selecciona ningún modo de disparo (OFF) la señal estará desincronizada y correrá por toda la pantalla sin fijarse en ningún punto. -Se pueden seleccionar diferentes tipos de disparo. -La selección se realiza pulsando la tecla M. -La tensión de disparo aumenta o disminuye, pulsando las teclas + o – – Automático(OFF): Captura señales sin ninguna condición de disparo. – Subida por el canal seleccionado: Se realiza la captura de la señal del canal seleccionado cuando dicha señal sobrepasa el valor de disparo. – Bajada por el canal seleccionado: Se realiza la captura de la señal del canal seleccionado cuando dicha señal sobrepasa el valor de disparo. – Sincronizado con cilindro 1: Se realiza la captura de la señal del canal seleccionado cuando se produce el salto de chispa en el cilindro1. Para poder utilizar esta opción es necesario que esté conectada la pinza de cilindro1 y el accesorio para capturar disparo por cilindro 1, ya que así el propio equipo crea una señal interna que sincroniza la señal capturada con el salto de chispa del cilindro en el que se haya colocado la pinza. Si el conexionado y captación de la pinza de cilindro número 1 es buena, la frecuencia del encendido del diodo led será continuada. Si se aprecia discontinuidad en el parpadeo, indica una mala captación de la señal producida por fallo de colocación de pinza o fallo de encendido en ese cilindro.

• Selección tensión de disparo y efecto en pantalla:

Cuando el disparo es por subida o bajada del canal seleccionado, el valor de tensión de disparo se selecciona mediante las teclas + y – del teclado expandido. Aparece, además del valor en display, un vúmetro a la izquierda de la gráfica que indica el nivel de disparo. La línea de referencia roja que indica la tensión de disparo seleccionada, se desplaza hacia arriba o abajo según el valor de tensión de disparo que estemos ajustando. Modo de disparo = por subida Tensión de disparo = 0Voltios AC (alterna)

En la gráfica se puede observar,  que la señal inicia cuando pasa por valor cero de tensión y además está en fase de subida o incremento de tensión. Modo de disparo = por subida Tensión de disparo = + 2Voltios AC (alterna)

Utilizando el mismo modo de disparo (por subida) pero cambiando la tensión de disparo a 2 voltios, se puede observar que el inicio de la señal, se produce cuando la tensión pasa por el valor seleccionado. Modo de disparo= por bajada Tensión de disparo = +2Voltios AC (alterna)

Al cambiar el modo de disparo pos bajada, la señal inicia cuando pasa por la tensión seleccionada (2 voltios) y esta en fase bajada de tensión. Modo de disparo = por subida Tensión de disparo = +4Voltios        DC(continua)

Con señal continua se inicia la imagen cuando la tensión de positivo pasa por el valor seleccionado 4.5. Medida del desfase entre señales. El periodo de una señal se corresponde con una fase de 360º. El desfase indica el ángulo de atraso ó adelanto que posee una señal con respecto a otra (tomada como referencia) si poseen ambas el mismo periodo. Ya que el osciloscopio solo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfase será indirecta. Uno de los métodos para medir el desfase es introducir una señal por el canal vertical (generalmente el I) y la otra por el canal horizontal (el II). Se comparan las formas de onda y se mide en la base de tiempos el desfase. Por ejemplo en un alternador trifásico el desfase entre dos fases ha de ser de 180º, como se puede apreciar en la figura. 5. Test osciloscopio 2 canales Comprueba todas las tensiones del vehículo, señales de sensores y captadores. Comprueba señales de módulos de potencia de encendido. Comprueba señales de sistemas de inyección y sistemas electrónicos del vehículo. 5.1. Ayuda de funcionamiento Con este test, se puede comprobar las señales producidas por los sistemas electrónicos del vehículo, ya sean de inyección electrónica de gasolina, inyección electrónica diesel, frenos ABS, climatización etc. El objeto de este test es la comprobación de dos señales obtenidas directamente de los componentes a medir. La señal de sincronización, será la correspondiente a la entrada AUX1. 5.2. Descripción de controles.

El test arranca siempre con el canal AUX 1 seleccionado, con una amplitud de 5 Voltios por división, medida en continua (DC), un tiempo de 1 msg. por división y con disparo automático. 1: Selección canal de medida Pulsando la tecla 1 se selecciona el canal AUX 1 y pulsando la tecla 2 se selecciona el canal AUX 2. El canal seleccionado queda resaltado en azul, mientras que el no seleccionado queda en gris. Es necesario selecionar el canal para realizar el cambio de escala de tensión y selección de AD/DC. 2: Selección AC/DC Pulsando la tecla A, la captura es en alterna (AC) y pulsando la tecla D la captura es en continua (DC). Si capturamos una señal continua como alterna, el equipo nos mostrará la componente alterna de la señal. Por ejemplo, si medimos la tensión de batería de un vehículo en marcha, al medir como DC medimos continua, esto es, unos 12V; si medimos como alterna nos capturará una señal alterna de unos 20mv de amplitud que es el rizado del alternador. 3: Selección de tensión Con las teclas del cursor arriba y cursor abajo, se sube y se baja el valor de tensión por división. El valor de escala se visualiza en el display. 4: Selección de frecuencia Pulsando la tecla de cursor derecha se disminuye el tiempo por división, con lo que la señal aparece aumentada en pantalla. Pulsando la tecla de cursor izquierda se aumenta el tiempo por división, con lo que aparece más tiempo de señal en pantalla.