Sondas para Osciloscopios: Fundamentos y Aplicaciones en Medición Electrónica

Sondas para Osciloscopios: Fundamentos y Aplicaciones

El osciloscopio es un instrumento fundamental para la medida de tensiones. Para que sus circuitos puedan extenderse hasta los puntos donde se desea medir, es imprescindible el uso de conductores eléctricos adecuados. Es necesario que los conductores de la sonda sean del tipo blindado, es decir, cables coaxiales. En estos, un conductor central, denominado activo, se envuelve de una malla que, conectada a masa, blinda al cable central de ruidos e interferencias.

Requisitos Esenciales de las Sondas para una Medición Precisa

Para que las sondas no afecten la señal que transportan, deben cumplir con los siguientes requisitos:

• No reducir la tensión de la señal: Esto se consigue si la impedancia de entrada de la sonda es significativamente mayor que la impedancia de la fuente de señal que se está midiendo.
• No introducir ruidos: Una de las condiciones clave para lograr esto es la utilización de cable coaxial blindado.
• No filtrar las señales: La sonda debe permitir el paso de las señales sin alterar su forma de onda o contenido frecuencial.
• Establecer un contacto íntimo con el punto de medida: Para ello, las puntas de las sondas de osciloscopio se diseñan en forma de aguja, facilitando la conexión precisa.

Sondas Atenuadoras: Ampliando el Rango de Medida

La impedancia de entrada (Zin) de un osciloscopio suele ser de 1 MΩ en paralelo con aproximadamente 20 pF. Este valor es lo suficientemente alto para realizar medidas sobre circuitos de baja o media impedancia de salida (Zo).

Sin embargo, si la impedancia de salida (Zo) de los circuitos bajo prueba es significativa respecto a la impedancia de entrada del instrumento, se formará un circuito divisor de tensión. Esto originaría una señal de tensión reducida a los circuitos amplificadores del osciloscopio, afectando la precisión de la medida.

Para mitigar este efecto y ampliar el rango de medida, se utilizan las sondas atenuadoras. Estas sondas incorporan un divisor de tensión a la entrada que, además de atenuar la señal de entrada (Vin), incrementa la impedancia de entrada efectiva que el sistema presenta al circuito bajo prueba. Comúnmente, la relación de división es de 10:1 (x10).

[Aquí se representaría un diagrama de la sonda con su resistencia (q•Re) en uno de sus extremos y el osciloscopio, que internamente tiene una resistencia (Re) y una capacitancia (Ce) en paralelo.]

Para un funcionamiento óptimo de las sondas atenuadoras, es necesario recurrir a la colocación de una capacitancia (Cv) en paralelo con el resistor q•Re de la sonda. Esta capacitancia Cv debe ser variable para poder ajustar la sonda y lograr una compensación adecuada.

Compensación de Sondas Atenuadoras

La correcta compensación de una sonda es crucial para evitar distorsiones en la señal:

• Subcompensación (comportamiento integrador): Si el sistema está descompensado de forma que la capacitancia del cable más la del osciloscopio (CT = Ce + Co) es mucho mayor que Cv, el efecto del circuito será subcompensado, comportándose como un integrador (filtro paso bajo). La función de transferencia Vo/V es aproximadamente:

  Vo/V ≈ 1 / (10 * (1 + R * CT * S))

  Donde CT = Ce + Co.
• Sobrecompensación (comportamiento diferenciador): El caso opuesto ocurre cuando Cv supera CT (donde CT = Ce + Co, asumiendo Co es la capacitancia del cable). En este caso, el circuito se comporta como un diferenciador (filtro paso alto). La función de transferencia Vo/V es:

  Vo/V = (R / (10R)) * [(q•R•Cv•S + 1) / (R(Cv+CT)•S + 1)]

Sondas de Corriente: Medición Indirecta

Para la medida de corrientes, debe utilizarse algún método indirecto, como la medida de la tensión que cae sobre un valor resistivo conocido (por ejemplo, una resistencia shunt) o mediante el uso de una sonda de corriente específica que convierte la corriente en una tensión proporcional.