Sonda 230v para Osciloscopio-PC
La sonda se ha diseñado para la lectura de los valores de una tensión alterna tal como la existente en la red eléctrica de las viviendas (230v - monofásica), también para la visualización de la forma de onda. Se necesita un programa Osciloscopio en el PC (Visual-Analyzer, Soundcard Scope, WinScope, ...), ya que la idea es suministrar una minúscula captura, lo más fidedigna posible, de la señal de entrada a través de la tarjeta de audio del PC.
Implementación
Le he incorporado una entrada versátil con pinzas de cocodrilo que, a través de un adaptador especial, podrá conectarse a algún enchufe de la red; dispone de un LED para indicarnos la presencia de tensión.; la salida se ha dispuesto cableada hacia un conector 'jack-3,5mm estéreo', el cual se conectará a la entrada (MICRÓFONO) de la tarjeta de sonido del PC, y en éste se ejecutará un Osciloscopio virtual como 'Visual-Analyzer'.
El rango de tensiones a medir (50 - 400 v AC) se ha adaptado para que sea seguro en la entrada de micro (1 - 220 mV) a través de unos divisores de tensión que se componen principalmente de 1 Mohm y un potenciómetro de ajuste de la tensión de salida de 5 Kohm. Trabajando con 220 vAC - 50 Hz este rango de salida se encuentra cercano a los 800 mV en vacío, pero cuando comienza a trabajar el ADC de entrada de la tarjeta de audio, baja hasta los 100 mV aproximadamente.
Por mi propia experiencia estos valores son perfectamente asumibles por el PC, aunque sería aconsejable intercalar una entrada de micrófono USB para más seguridad.
Características
Zin > 1,3 Mohm
Zout <= 2,5 Kohm
Vin <= 400 v
Vout = 1 mV - 220 mV
Tensión de salida ajustable
Indicador de RED
Distorsión armónica < 1,5 %
Salida balanceada (aislamiento resistivo)
ATENCIÓN: Hay que tener en cuenta que la entrada del micro de la tarjeta de audio no admite más de 1 o 2 voltios (quizás en algunos casos hasta 5 Vpp) y aunque la sonda se ha construido para trabajar con tensiones del orden de milivoltios y está mas que probada en diferentes ordenadores, cualquier error en la implementación del esquema (mira que es sencillo, pues verás como alguien se equivoca) puede ser fatal teniendo en cuenta que NO EXISTE AISLAMIENTO GALVÁNICO me veo obligado a alertar para que se utilice este circuito con mucha precaución, NO me responsabilizo de daños producidos a la tarjeta de sonido; a mí particularmente me ha ido de cine.
ALGO DE TEORÍA - DISTORSIÓN ARMÓNICA:
Como ustedes sabrán, en cualquier circuito, con componentes pasivos o no, se produce siempre una aberración en el espectro de frecuencia de entrada con respecto al de salida debido a diversos factores imposibles de controlar al 100%. Se produce una mezcla o modulación de ciertas señales espúreas sobre la señal a mostrar, esto provoca que se generen armónicos que en algunos casos pueden ser FATALES.
Como decía, esto se conoce como intermodulación espúrea y es provocada por varios factores: calidad y exactitud de los componentes que provocan ruido térmico, cableado, desacople de impedancias entre etapas (capacitancias e inductancias), interferencias electromagnéticas externas (ruido blanco), ... y yo que sé cuantas más (electricidad estática, presencia cercana de motores, tormentas, ionización ambiental, ... o quizás rayos cósmicos, magia negra o vudú electrónico ...)
Esto quiere decir que es IMPOSIBLE reproducir o visualizar una señal sin inyectarle involuntariamente algún tipo de distorsión; pero no sólo con circuitería eléctrica, esto mismo sucede a nivel atómico y subatómico (LEY DE LA INCERTIDUMBRE de Heisemberg), donde es imposible medir o precisar con exactitud dónde se encuentra una partícula en un determinado momento; para eso los físicos trabajan con aproximaciones o probabilidades de que esa partícula se encuentre en un área más o menos concreta. Y además por mucha exactitud y minuciosidad con la que intentes realizar esta medida siempre estarás afectando al objeto/partícula observado.
Experimentación científica: Prueba-Error
Los párrafos anteriores sobre distorsión armónica vienen a colofón de los diversos métodos que empleé para reducir la tensión y los esfuerzos para no deformar la señal de entrada, pero apenas lo conseguía.
Una vez asumido esto, NO HAY QUE DESESPERARSE, se trata de reproducir lo más fielmente la señal (aún a sabiendas de que será imposible hacerlo al 100%) y en este punto voy a exponer algunos esquemas y circuitos probados:
1º Circuito: Mediante transformador reductor.
En un principio éste me pareció la mejor elección ya que nos permite trabajar con tensiones más bajas y menos peligrosas y a la vez nos proporciona un aislamiento galvánico del circuito de RED con el PC (algo extremadamente importante).
Todo esto está muy bien pero tiene algunas pegas, que el primario necesita una cierta intensidad mínima para excitarse y poder realizar una transferencia óptima de energía electromagnética hacia el secundario y por lo tanto quedaría limitado a lectura de señales relativamente POTENTES, y también hay que tener en cuenta que las frecuencias a las que trabaja la red eléctrica (50/60 Hz) son bajísimas y precisamente los transformadores se desempeñan mucho mejor en frecuencias más altas ya que existen menos pérdidas por histéresis y desacoplos.
Quería emplear componentes de baja potencia e implementarlos en el interior de una orejera de unos cascos que no utilizaba, y así lo hize, realicé unas mediciones básicas y monté y mecanicé los cascos para incluirle un pulsador que leyese momentáneamente la actividad en un led (simplemente un indicativo de presencia de tensión), un potenciómetro de 250 Kohm y un par de resistencias más para aumentar la impedancia de entrada y evitar consumo y tensiones peligrosas incluso en el primario. Realicé numerosas pruebas con transformadores de distintos tipos y potencias, pero a la hora de reproducir la señal siempre obtenía una onda distorsionada que se parecía poco a la original.
No podía creer que los trafos deformaran tanto la onda sinusoidal, claro que podría haber filtrado o reconstruido en parte la onda con la inclusión de algunos condensadores pero no se trataba de eso, mi intención no era filtrar ni reconstruir sinó reproducir fielmente la onda de entrada; el error fue dar por buenas las mediciones del polímetro sin fijarme en la representación de la onda senoidal.
¡Vaya chasco!, estaba defraudado con estos componentes, así que tuve que desechar la idea de emplear transformadores. ¡Joé, con lo chulo que me había quedado... brrruuhzhzh!!
1ª Implementación: Sonda 220 vAC con salida jack hacia tarjeta audio. Funcionó perfectamente hasta que observé unas deformaciones en la onda a causa de la propia naturaleza inductiva del trafo que no me gustó nada. Con lo bien que me había quedado y tuve que desecharlo.
2º Circuito: Simple divisor de tensión resistivo.
Así que tuve que reducir el circuito original simplificándolo hasta un simple divisor de tensión. En vez de una única resistencia de 1 Mohm, preferí utilizar dos de 670 Kohm para evitar que ninguno de los terminales de entrada tuviese contacto directo con alguno de salida, esto viene a ser una especie de aislamiento resistivo con el que se obtiene una salida balanceada. No es tan seguro ni mucho menos que el aislamiento galvánico, pero me quedaban pocas opciones si no quería emplear transformadores.
También incluí un led indicativo de presencia de tensión pero dispuesto con resistencia en paralelo para evitar que recortase la forma de onda, y al igual que el anterior circuito también he incluido la posibilidad de un ajuste de tensión de salida a través de un potenciómetro de 5 Kohm.
Cómo lo más voluminoso del anterior circuito era el transformador, al prescindir de él me ha cabido todo en un espacio muy reducido (una especie de bolígrafo de propaganda), al cual también le he colocado su respectiva entrada de cocodrilo + adaptador para la RED y su salida con conexión jack.
Aunque la salida jack es un conector estéreo, sólo utilicé un terminal porque mi tarjeta de audio en la entrada MIC solo admite señales monofónicas, pero aún así en un supuesto caso de señal débil se podrían duplicar en el osciloscopio.
2ª Implementación: Sonda tipo bolígrafo para 220 vAC. Esta es mucho más reducida que la anterior y más manejable por menos pesada. También incluye LED indicativo y potenciómetro ajustable, y además representa la señal de manera más fidedigna.
Mediciones: (Con Visual-Analyzer 64)
Conclusiones:
Mis humildes conclusiones son que:
Hay que emplear cuantos menos componentes mejor.
Los trafos distorsionan la señal sinusoidal a límites intolerables (hasta el 45%).
Los mejores resultados los he obtenido con componentes lineales, y dentro de estos casi exclusivamente las RESISTENCIAS.
Un simple divisor de tensión aunque menos seguro, es la forma más barata y rápida para representar más fielmente la onda senoidal.
Antes de montar el circuito no hagáis como Yo y comprobar no sólo las mediciones del polímetro, también visualizar la distorsión en las formas de onda en el prototipo.
Credits:
Las figuras de osciloscopio fueron tomadas con el "Visual-Analyzer 64 bits" y con el "SoundCard Scope", otras con "MultiSim". PEAZO DE PROGRAMAS. Muchas gracias a sus desarrolladores. Les animo a registrarse y probarlos.