Bases Generales

El Osciloscopio Moderno Bases Generales ¿Qué es un osciloscopio y cómo se maneja? QUE ES UN OSCILOSCOPIO

El osciloscopio de rayos catódicos fue inventado en 1897 por Ferdinand Braun, tenía entonces la finalidad de analizar las variaciones con el tiempo de intensidades de corriente. Recordemos que 1897 fue el mismo año en que J.J. Thomson midió la carga del electrón a partir de su deflexión por medio de campos magnéticos. Exactamente como en los tubos de rayos X, los tubos de Braun, como se los llamaba, se basaban en la descarga eléctrica en los gases para producir la emisión de electrones en forma de filamentos, que tenían como resultado la imagen sobre la pantalla. Fue solamente con la utilización de tubos de rayos catódicos hechos por Wehnelt en 1905, que fue posible la industrialización de este tipo de equipos que hasta hoy encontramos, con muchos perfeccionamientos, en los laboratorios de electrónica. La finalidad de un osciloscopio es producir en una pantalla una imagen que sea una representación gráfica de un fenómeno dinámico, como por ejemplo: un pulso de corriente, una tensión que varíe de valor con el tiempo, la descarga de un capacitor y con el uso de transductores apropiados, cualquier otro fenómeno dinámico, como por ejemplo: la oscilación de un péndulo, la variación de temperatura o luz en un local, los latidos del corazón de una persona, etc. Dependiendo de la aplicación, los osciloscopios modernos cuentan con recursos propios, lo que significa que no existe un único tipo disponible en el mercado. Esto ocurre porque los fenómenos que podemos o deseamos visualizar en la pantalla de un osciloscopio pueden tener duraciones que van desde algunos minutos, hasta millonésimos de segundo. De la misma forma, los fenómenos se pueden repetir con una cierta velocidad siempre de la misma forma, o bien pueden ser únicos, ocurriendo por un instante solamente una vez. El osciloscopio básico, como el que muestra la figura 1, puede permitir la visualización de fenómenos

que duren desde algunos segundos hasta otros que ocurran millones de veces por segundo. Figura 1

La capacidad de un osciloscopio para presentar en su pantalla fenómenos muy rápidos, está dada por su respuesta de frecuencia. Tipos en la banda de los 20MHz hasta 100MHz son comunes y sirven para el técnico reparador o para el desarrollo de proyectos en la mayoría de los talleres de industrias. Para poder visualizar fenómenos con precisión los osciloscopios poseen recursos adicionales y controles que varían bastante según el tipo. En los más simples tenemos solamente la posibilidad de sincronizar un fenómeno con una base de tiempo (que explicaremos cómo funciona en el curso) interna; mientras que en otros, esto puede ser extendido a bases externas y en algunos casos hasta a circuitos de digitalización que "congelan una imagen" para facilitar el análisis posterior. En verdad, la existencia de circuitos capaces de procesar una señal digitalmente lleva a la existencia de osciloscopios que son verdaderas computadoras. Además de poder digitalizar una imagen, lo que significa una facilidad mayor de análisis, pues podemos "paralizarla" en la pantalla en cualquier momento, también pueden realizar cálculos en función de lo que fue almacenado. No es difícil encontrarnos con osciloscopios que además de presentar en su pantalla una forma de onda analizada, una senoide por ejemplo, también presentan de forma numérica su valor de pico, en su frecuencia, y hasta incluso eventuales distorsiones que

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Bases Generales existan (figura 2). Para conocer mejor el osciloscopio debemos partir de su elemento básico, que es el TRC o tubo de rayos catódicos (y de paso recordaFig. 2 mos que existen ya osciloscopios modernos que sustituyen este elemento por displays de cristal líquido).

El Tubo de Rayos Catódicos En la figura 3 tenemos un tubo de rayos catódicos que es el elemento básico del osciloscopio. En este tubo existe un filamento (a) que es calentado por una baja tensión y que se encuentra cercano a un cátodo (b). El cátodo está hecho de material alcalino de modo de proporcionar muchos electrones libres que forman una especie de "nube electrónica" alrededor de este elemento. Esta nube recibe el nombre de "carga espacial". Figura 3

gen. Se trata, pues, del elemento del control de brillo o luminosidad del osciloscopio. Un recurso encontrado en algunos osciloscopios consiste en conectar el tubo de Wehnelt a una entrada externa donde podemos aplicar una señal moduladora. Esta señal va a modular en amplitud el brillo de la imagen, lo que corresponde al denominado "eje Z". Para un borne externo de entrada Z conectado directamente al electrodo de Wehnelt, sin amplificación alguna, se obtiene 100% de modulación con una tensión de pico de algunas decenas de volt. Después del cilindro (c) tenemos tres electrodos de igual formato (d) que son conectados a una alta tensión positiva. Estos electrodos poseen un formato especial que hace que los electrones que pasan por el cilindro (c) formen un eje y sean acelerados de manera que se proyecten en la pantalla en un único punto. Las tensiones aplicadas en los electrodos acelerados son de tal forma escalonadas que se comportan como una especie de "lente electrónica" que puede ser ajustada para que tenga su foco justamente en la pantalla. Un resistor variable externo conectado a estos electrodos permite controlar el efecto de esta lente y, por lo tanto, sirve de ajuste de foco para el osciloscopio. A continuación, el haz de electrones pasa entre dos placas horizontales (e) que son conectadas a un amplificador externo, denominado amplificador vertical o Y (eje Y). Es fácil entender que estando los electrones del eje dotados de una carga eléctrica negativa, pueden ser desviados cuando pasan por un campo eléctrico cuyas líneas de fuerza sean perpendiculares a su trayectoria. Si la placa superior de la figura 4 estuviera positiva en relación a la inferior, el haz será desviado hacia arriba. En los libros de electroestática de cursos de física de nivel medio, el lector encontrará las fórmulas que permiten calcular con precisión la desviación de un electrón "disparado" entre dos placas cargadas eléctricamente, en función de la tensión entre estas placas o de la intensidad del campo eléctrico.

Un tubo metálico es instalado frente al electrodo en cuestión (cátodo), y es denominado tubo de Wehnelt (c). Mientras que el cátodo es conectado a una fuente de tensión negativa para proporcionar los electrones necesarios a la emisión, el tubo de Wehnelt es polarizado de un modo todavía más negativo que el Figura 4 cátodo, de modo de establecer una repulsión sobre los electrones que serían emitidos. Controlando la tensión aplicada al tubo podemos dejar pasar menor o mayor cantidad de electrones, según la repulsión sea mayor o menor y con esto regular la intensidad del haz que va a producir la imaOsciloscopio -

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Composición de Señales Por la aplicación de una tensión en estas placas podemos hacer que el punto en la pantalla en el que incide el haz de electrones se desplace hacia arriba o hacia abajo. Si aplicamos una tensión alternada en las placas, de una frecuencia relativamente elevada, el punto se desplazará hacia arriba y hacia abajo en la pantalla, de una forma tan rápida que formará una línea vertical. El largo de esta línea va a depender de la amplitud de esta tensión alterna, o bien de la amplificación dada por el amplificador Y. A fin de que posibilite el trabajo con señales de diversas intensidades, mediante este control el amplificador posee ganancias en una amplia banda de valores. A continuación tenemos un par de placas colocadas verticalmente (f) que son las deflectoras horizontales o X conectadas también a un amplificador. De la misma forma que las placas Y, las placas X desvían el haz de electrones hacia la izquierda o hacia la derecha. Tenemos finalmente el electrodo acelerador final (g) que consiste en una capa de sustancia mala conductora de electricidad, aplicada en la superficie interna del TRC y que es conectada a una fuente de muy alta tensión, normalmente entre 600 y 3000V, que depende de las dimensiones del tubo. La pantalla, donde incide el haz de electrones consiste en una superficie recubierta por una sustancia que se vuelve luminosa al contacto de estas cargas. La emisión ocurre por la energía cinética cedida por los electrones que excitan el "fósforo" y causan tanto la emisión de luz como la producción de una cierta cantidad de electrones secundarios que son inmediatamente atraídos por el electrodo de alta tensión, que retornan a la fuente y cierran el circuito eléctrico. COMPOSICIÓN DE SEÑALES EN EL OSCILOSCOPIO Si aplicamos una señal alternada, por ejemplo una señal con forma de onda senoidal en las placas de deflexión vertical de un tubo de rayos catódicos (eje Y), el punto luminoso provocado por el haz de electrones debe oscilar hacia arriba y hacia abajo en la misma frecuencia de la señal. Si la señal tiene una frecuencia suficientemente alta no veremos las oscilaciones sino solamente un trazo vertical en la pantalla, como Figura 5 muestra la figura 5.

Por otro lado, si una señal también senoidal, o incluso de otra forma de onda, es aplicada en las placas deFigura 6 flectoras horizontales (eje X) el movimiento del haz de electrones será tal que obtendremos en la pantalla un trazo horizontal, como muestra la figura 6. Suponiendo ahora que las dos señales se aplican al mismo tiempo en las placas deflectoras del tubo de rayos catódicos, veremos que la posición en que el haz de electrones incide en la pantalla depende en cada instante del valor de la tensión en las placas deflectoras horizontales y verticales. Dependiendo de las frecuencias de las señales, el punto luminoso en la pantalla realizará las más diversas trayectorias y formará figuras extrañas.

COMPOSICIÓN DE UNA SEÑAL CUALQUIERA CON UNA SEÑAL DIENTE DE SIERRA

Este sin duda es el caso principal para los osciloscopios comunes, ya que es a través de él que podemos visualizar una forma de onda. Vamos a suponer que en las placas deflectoras horizontales (eje X) aplicamos una señal "diente de sierra", o sea, una señal en que la tensión sube linealmente con el tiempo hasta un punto en que su caída a cero sea prácticamente instantánea. Para efectos de ejemplo, Fig. 7 aplicamos en las placas deflectoras Fig. 8 verticales una señal cuya forma de onda sea senoidal y de la misma frecuencia que la señal diente de sierra. Esta vez, en lugar de que el punto luminoso suba y

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Los Controles del Osciloscopio baje formando un trazo vertical en la pantalla, tenemos algo diferente: al mismo tiempo que el punto luminoso sube y baja de acuerdo con la señal senoidal de las placas deflectoras Y, este punto es desplazado linealmente hacia la derecha. El resultado es que el mismo hace una curva que corresponde exactamente a la senoide de la señal de las placas verticales, como muestra la figura 7. En la figura 8 tenemos un modo gráfico de componer las dos señales observándose que el resultado de la combinación de una señal senoidal con un diente de sierra es una senoide.

LOS CONTROLES DEL OSCILOSCOPIO Existen muchas marcas y modelos de osciloscopios, sin embargo, la gran mayoría poseen controles comunes que hacen al funcionamiento básico del equipo. Haremos la descripción de los controles de un Osciloscopio marca HAMEG modelo 404, pero lo dicho puede ser aplicado a cualquier otro aparato. El frente de este osciloscopio se muestra en la figura 9.

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Figura 9

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Mediciones de Tensión MEDICIÓN DE TENSIONES CONTINUAS En el caso de tensiones continuas, lo que tenemos es un trazo horizontal hacia arriba o hacia abajo, en una proporción que depende justamente de la tensión aplicada en la entrada. Como el osciloscopio posee un amplificador de ganancia conocida (y calibrada) podemos, a partir de este desplazamiento, saber exactamente cuál fue la tensión aplicada en la entrada. Sin embargo, se deben tomar algunas precauciones con la conexión de la punta de prueba, principalmente si vamos a medir tensiones bajas. En una medición de tensión más baja, un ruido de la red de alimentación puede superponerse a la señal medida, en el caso de la tensión continua causará una deformación, según muestra la figura 10. Al tomar una medición de tensión (o incluso de cualquier otro tipo de señal) en una placa de circuito impreso, debemos buscar una refeFigura 10 rencia lo más próxima posible del lugar de la señal. Para la medición de tensiones continuas debemos proceder de la siguiente manera:

polaridad de la tensión medida lo que permite la realización de la medición. f) Para hacer la medición, verificamos por el número de trazos y por la posición de la llave selectora Volt/Div el valor deFigura 11 seado. Por ejemplo, en el caso de la figura 11, en que tenemos aproximadamente 2,5 trazos hacia arriba en la posición de 0,1 Volt/Div, debe estar con la posición auxiliar CAL accionada. En algunos osciloscopios existe un LED que cuando está encendido alerta al usuario que la llave está en la posición no calibrada (UN -CAL).

MEDICIÓN DE TENSIONES ALTERNAS Para las tensiones alternas senoidales tenemos básicamente el mismo procedimiento, con la diferencia que debemos accionar sobre la base de tiempo de modo de tener una visualización de la señal. Así, tenemos los siguientes procedimientos: a) Fijamos la pinza de la punta de prueba en la referencia del circuito medido (GND o tierra) b) Elegimos una posición apropiada de la llave selectora Volt/Div para la tensión medida. Debemos tener una idea del orden de magnitud de esta tensión. Si no hay posibilidad de esto, comenzamos por la posición más alta. c) No hay necesidad en este caso de colocar la señal de modo que haya coincidencia con la referencia. Debemos colocarla de modo que tengamos la observación más favorable. Para la señal de la figura 12 tenemos una tensión pico a pico de 5 volt, ya que estamos con la llave en la posición 1 V/div y la misma ocupa 5 divisiones exactas.

a) La entrada debe ser colocada en la posición GND (tierra) de modo de tener en el osciloscopio una referencia igual a la obtenida en la pinza de la punta de prueba . b) La pinza de la punta de prueba será conectada en el punto del circuito que se debe tomar como referencia (cero volt). c) Seleccione en la llave Volt/Div la posición apropiada a la medición de la tensión realizada. En este caso procedemos como en un multímetro común: si conocemos el orden de magnitud de la tensión medida, vamos directamente a una posición de la llave que permita su lectura “con holgura”. Si no la conocemos, comenzamos por la escala más alta (mayor Figura 12 número de volt por división) y vamos cambiando de escala hasta tener una lectura apropiada. d) La llave selectora de entradas debe estar en DC (AC-GND-DC). e) El trazo horizontal en estas condiciones debe haberse desplazado hacia arriba o abajo, según la

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Mediciones de Frecuencia MEDICIONES DE FRECUENCIA Las mediciones de frecuencia y fase tendrán una precisión que depende del proceso utilizado y el alcance dependerá de la respuesta del osciloscopio usado. Sin embargo, existen osciloscopios específicos en que la medición de frecuencia se hace automáticamente por un circuito separado y que proyecta en la pantalla el valor numérico de esta magnitud además de otras. Está claro que, en un caso como éste, las enseñanzas dadas en este capítulo sirven solamente como curiosidad. Sin embargo, como la mayoría de los osciloscopios es del tipo simple, sugerimos que el lector lea según lo expresado a continuación. Para medir la frecuencia de una señal, sin importar su forma de onda, el primer paso consiste en obtener la señal en la pantalla del osciloscopio. Para esto actuamos, tanto sobre el control de sensibilidad, al elegir una posición de la llave (Volt/Div) que proporcione una buena imagen, como después, sobre la base de tiempo (tiempo/división) en la forma calibrada (Uncal desconectado), para tener algunos ciclos de la señal en la pantalla. Suponiendo que la llave de la base de tiempo esté en la posición de 1ms/div (1milisegundo por división), eso significa que tenemos condiciones para medir el tiempo de un ciclo completo de la señal. En la figura 20 la señal senoidal analizada ocupa en cada ciclo 2 divisiones. Esta es una condición en que tenemos una frecuencia exacta. Si la señal no ocupa un número exacto de divisiones, debemos actuar sobre el desplazamiento horizontal, de modo de llevar el comienzo de un ciclo tomado como referencia, para que coincida con un trazo vertical también tomado como referencia,

según se muestra en la figura 13. Después verificamos cuántas divisiones ocupa el ciclo completo. En nuestro ejemplo, tenemos aproximadamente 1,4 divisiones por ciclo. Multiplicamos entonces el número de divisiones por el valor seleccionado en la llave selectora de la base de tiempo. En el caso de la figura 13 tenemos 2,0ms y en la figura 14 tenemos 1,4ms. La frecuencia de la señal será entonces obtenida por la fórmula: 1 f= ——— T Donde: f es la frecuencia T es el período de la señal medido en el osciloscopio. Para 2ms (10-3 segundos), tenemos: f= 1/2 x 10-3 = 500Hz Para 1,4ms tenemos: f= (1/1,4) x 103 = 0,714 x 103 = 714Hz Evidentemente, la precisión en la lectura de una frecuencia va a depender de la lectura que hagamos. De esta forma, si pudiéramos visualizar un ciclo ocupando el mayor número de divisiones posible tendremos una precisión mayor en la lectura. La posición de la llave selectora tiempo/div debe ser tal, que tengamos pocos ciclos completos de la señal en la pantalla (figura 22). Está claro que esto no va a ser posible cuando trabajamos con señales de frecuencias muy altas, en el límite de la capacidad de operación del osciloscopio.

FIGURAS DE LISSAJOUS Una de las utilidades de tales figuras es la medición de la frecuencia de señales. Sugerimos que los lectores vuelvan a aquella lección para un repaso de Figura 13 los principios teóricos, ya que a continuación veremos solamente los principios prácticos. Para usar el osciloscopio y las figuras de Lissajous en la medición de frecuencias, procedemos de la siguiente forma: Conectamos un generador de señales (o de audio, dependerá de la frecuencia que vamos a medir) que tenga forma de onda senoidal (así como la seFigura 14 ñal a ser medida) en la entrada de deflexión horizonOsciloscopio -

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Mediciones de Fase tal del osciloscopio (x). La fuente de señal desconocida debe ser conectada a la entrada vertical del osciloscopio (y). Desconectamos el barrido interno del osciloscopio. En algunos tipos esto se hace mediante una llave en el panel marcada como Barrido Ext y en otros existe una marca en la llave de la base de tiempo XY. En esta posición el oscilador interno del osciloscopio deja de actuar sobre el circuito. Ajustamos entonces la imagen de modo de ocupar la parte central de la pantalla y enseguida actuamos sobre la frecuencia del oscilador usado como patrón, de modo de tener una de las imágenes mostradas en la figura 15. Debemos dar preferencia a las figuras con el menor número posible de lóbulos, lo que facilita contarlos y por lo tanto determinar la frecuencia. El ajuste debe hacerse para que la figura quede estable. Vamos a suponer que en una medición de frecuencia obtenemos la figura mostrada en la primer pantalla. Según podemos ver, tenemos 3 lóbulos en la parte superior, lo que significa que tenemos 3 excursiones en el máximo de la señal aplicada en las placas deflectoras verticales dos (2 lóbulos) de la Figura 15

señal, aplicada en las placas deflectoras horizontales. Eso significa que la relación entre la frecuencia de señal en las entradas vertical y horizontal es de 3:2. Si la frecuencia del oscilador patrón, conectado a la deflexión horizontal fuera de 300Hz la frecuencia de la señal desconocida es de 200Hz. Si la figura obtenida fuera una circunferencia, una elipse o un trazo inclinado tendremos entonces frecuencias iguales del oscilador con la etapa de la señal desconocida.

MEDICIONES DE FASE La diferencia de fase de dos señales, puede ser medida por un osciloscopio de trazo simple, así como de trazo doble. Para señales de la misma frecuencia, aplicamos una de ellas en la entrada vertical y la otra en la entrada horizontal, luego el osciloscopio debe estar con el barrido interno desconectado (posición XY). Hacemos entonces uso de las figuras de Lissajous. Según muestra la figura 16 podemos obtener desde un trazo inclinado para señales en fase hasta una circunferencia para señales desfasadas en 90 grados. Para valores intermedios, el procedimiento es el siguiente: Tomamos las dimensiones a y b en la figura 16 y obtenemos el valor del ángulo de desfasaje por la fórmula a A = arc sen ——— b

Figura 16

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El valor del arco cuyo seno es la relación X/Y, tanto puede ser obtenido por medio de tablas trigonométricas como de una manera más práctica a partir de calculadoras que poseen tal función. Para osciloscopios de doble trazo, el desfasaje puede ser visualizado de forma más evidente. En este caso, basta aplicar una de las señales en la entrada vertical A y la otra en la entrada vertical B. Las señales aparecen entonces Osciloscopio -

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Prueba de Componentes en la pantalla, según muestra la figura 17. Para poder medir con facilidad el desfasaje será interesante alinear el comienzo de uno Figura 17 de los ciclos, tomado como referencia, por ejemplo el canal A, con un trazo vertical. Expandiendo o contrayendo la señal en el sentido horizontal, usando para eso la función tiempo/div sin la calibración (Uncal), procuramos hacer que el final del ciclo, tomado como referencia, también coincida con una división vertical. Entonces se vuelve más fácil tomar la señal a ser comparada al confrontarla con la de referencia y verificar el desfasaje. En el ejemplo de la figura 17 un ciclo completo de la señal A ocupa 4 divisiones horizontales, lo que significa que cada división corresponde a 90 grados. La señal del canal B tiene su pico adelantado 1 división en relación al pico de la señal del canal A (también tomando como referencia el punto del cero volt, tendremos cuidado para alinear con una línea horizontal cada canal), lo que significa un desfasaje de 90 grados. PRUEBA DE COMPONENTES a) Medición de resistencias Suponiendo que el lector no posea el multímetro en un momento de trabajo, y desee hacer una medición de resistencia con el osciloscopio, en la figura 18 tenemos el modo de hacerlo, emplearemos un resistor de valor conocido como referencia. El barrido debe estar desconectado y usamos

solamente el eje Y en la medición. Aplicamos una señal cualquiera en el circuito, que puede venir de un generador de señales o bien de una simple fuente de tensión alterna. Las deflexiones estarán en proporción a los valores de los componentes según muestra la propia figura. b) Medición de capacidades A falta de un capacímetro, podemos usar un osciloscopio y el generador de señales para encontrar dos capacitores del mismo valor o bien verificar la tolerancia de este tipo de componente. En la figura 19 tenemos el modo de hacer la conexión de los elementos para esta prueba.

Figura 19

Para verificar la “paridad” de capacitores el principio es simple: si los dos capacitores tienen el mismo valor, las señales senoidales aplicadas en las entradas vertical y horizontal del osciloscopio, quedan desfasadas en 90 grados y la figura obtenida es un círculo perfecto. La frecuencia elegida para esta prueba depende de los valores de los capacitores. Cuanto menor sea el capacitor, mayor debe ser la frecuencia para así obtener mejores resultados. Si el capacitor a prueba tuviera valor diferente del tomado como referencia o bien con problemas de fuga, o corto, obtendremos en la pantalla elipses en cierta cantidad. Pequeñas deformaciones en el círculo obtenido pueden deberse a la distorsión de la señal del generador. Por otro lado, una elipse indica que las ganancias de las etapas de amplificación vertical y horizontal están ajustadas de modo diferente.

c) Verificación de las característica de un diodo La característica, tensión vs. corriente, de un dioFigura 18 do de silicio o de germanio, se puede visualizar con Osciloscopio -

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Prueba de Componentes

Figura 20

pación del zener a prueba. Una tabla aproximada vale para diodos por encima de 400mW. Para operar la prueba de barrido del osciloscopio debe estar en la posición EXT, y los canales X e Y en la condición de trabajar con corrientes continuas (DC). Inicialmente, ajustamos las dos fuentes para cero volt. Con los controles de ubicación vertical y horizontal colocamos el trazo en el ángulo inferior derecho de la pantalla. Después, ajustamos la tensión continua en aproximadamente 2 veces el valor de la tensión zener que esperamos en el diodo. Las ganancias de los amplificadores horizontal y vertical deben también ajustarse para obtener la curva mostrada en la figura, en la que observamos el trecho de la curva en que el ánodo es negativo en relación al cátodo, o sea, en la condición de polarización normal de este componente. Recordamos que los diodos zener operan polarizados en el sentido inverso.

el circuito de la figura 20. La fuente de C.A. puede ser un transformador con secundario de 6V y corriente por arriba de 500mA. El osciloscopio debe estar en la operación con barrido externo ((EXT), y tanto los amplificadores X como Y (horizontal y vertical) preparados para recibir señales DC. Ajustamos entonces la tensión de la fuente de modo que la misma sea cero y llevamos el trazo horizontal en la pantalla del osciloscopio a una e) Prueba de transistores unijuntura o dos divisiones por debajo del centro. Para verificar el estado de un transistor unijuntuDespués, ajustamos el posicionamiento y la ganancia del osciloscopio y aumentamos la tensión de ra podemos hacer uso de un circuito mostrado en la la fuente hasta obtener una figura del tipo mostrado figura 22. en la figura 20. A partir de esta figura, podemos identificar las regiones de conducción y bloqueo del diodo.

d) Prueba de Diodos Zener En la figura 21 tenemos las conexiones para la prueba de diodos zener. Usamos dos fuentes, una de tensiones continuas y otra de tensiones alternas, del mismo orden que la tensión del zener que se está analizando. Figura 22 El resistor R de 1 watt, debe tener valor de Usamos también dos fuentes de alimentación: acuerdo con la tensión zener y también con la disiuna continua de 9 a 12V y otra alterna del orden de 12V. En la configuración mostrada, la señal alterna se usa para disparar el unijuntura y al mismo tiempo proporcionar el barrido horizontal. El pulso producido en el instante del disparo es aplicado al eje vertical, permite así su visualización en función del instante en que el mismo ocurre en el ciclo del disparo. El osciloscopio debe estar en la condición de barrido externo e inicialmente colocamos la tensión continua en cero volt. Con la fuente de CA desconectada llevamos el trazo del osciloscopio a la parte inferior de la pantaFigura 21 lla. B1 y B2 deben inicialmente estar desconectados

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Prueba de Componentes para estos ajustes. Ajustamos entonces la tensión continua para un valor entre 9 y 12V y lentamente aumentamos la tensión alterna hasta obtener el trazo indicado en la figura. Los controles de ganancia deben ser reajustados para mejor visualización de esta forma de onda. f) Determinación de la Ganancia de un Transistor La configuración de la figura 23 permite la ganancia de un transistor de uso general, o sea, trazar la característica Ic/Ib (corriente de colector sobre corriente de base) para una tensión de colector casi constante.

sentido vertical (eje Y) por la corriente en el eje X que es obtenida al dividir la tensión por la resistencia de base. Como las resistencias de base son fijas, por la propia ganancia de los amplificadores X e Y del osciloscopio, podemos establecer una relación directa entre las corrientes de colector y base. Con este procedimiento podemos comparar ganancias de transistores y con eso seleccionar pares apareados.

VERIFICACIÓN DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN Las fuentes de alimentación comunes y fuentes conmutadas del tipo encontrado en televisores pueden ser analizadas eficientemente con un osciloscopio. Comenzamos por el análisis de una fuente común, con rectificación de media onda, como muestra la figura 24. El osciloscopio puede ser usado inicialmente para la medición de la tensión de salida, utilizándose para este fin la función DC (corriente continua de entrada) y ajustándose la llave selectora de sensibilidad para una visualización de desplazamiento de la señal en relación a la referencia.

Figura 23 Figura 24

El circuito de prueba, que puede ser empleado en aplicaciones didácticas, usa dos fuentes de corriente continua y un generador de audio; operará en una frecuencia de aproximadamente 1kHz (que es la frecuencia para la cual la ganancia será establecida). Para trabajar con transistores NPN basta invertir las polaridades de las fuentes, y el trazo será “girado” en 180 grados en la pantalla del osciloscopio. Para obtener la forma de onda indicada en la figura, inicialmente colocamos la tensión de salida del generador de audio en cero y el canal X del osciloscopio en la condición de sincronismo externo (EXT). Los canales X e Y deben estar preparados para trabajar con señales continuas (DC). Ajustamos entonces los posicionadores para que el punto luminoso quede en el centro de la pantalla. Luego ajustamos el generador de audio para una salida con amplitud de aproximadamente 5V y las amplificaciones de los ejes X e Y hasta obtener un trazo recto inclinado como muestra la figura. La ganancia del transistor será dada en función de la corriente sobre el resistor de colector que se obtiene dividiendo la variación de la tensión en el Osciloscopio -

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La segunda posibilidad consiste en la verificación de la ondulación o ripple que ocurre de manera natural en función del filtrado, pero que puede acentuarse en función de problemas o de una carga mal dimensionada. En la figura 25 tenemos la representación de este ripple con la medición de su amplitud. Para visualizarla será inteFigura 25 resante usar la función CA, cuando la componente continua es eliminada.

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Pruebas en Equipos La frecuencia será determinada por la entrada del circuito, si por ejemplo se trata de la red de 50Hz, tenemos una señal de baja frecuencia que será ajustada para visualización en la llave selectora tiempo/división de modo que algunos ciclos serán visibles. Un filtro, operando normalmente, presenta una imagen suave, y que tiene amplitud en sus oscilaciones de algunos milivolt como máximo, para una fuente de algunas decenas de volt. Vea que tenemos las mismas ondulaciones antes y después del filtro. Un capacitor abierto también hace que la amplitud de la señal de riple aumente. Si el diodo zener está defectuoso, según muestra el circuito de la figura 5, hará que ocurra una distorsión de la señal visualizada en la salida. Lo que ocurre es que en las subidas de tensión en cada semiciclo, el zener no conduce, sino que “corta” los picos y suaviza la forma de la señal de salida que debe tener el mínimo de variaciones. En suma, en una fuente de corriente continua el osciloscopio puede ser usado para:

ñales rectangulares, en una banda de frecuencias que puede ir de 100 a 10kHz. La señal de prueba más utilizada es la de 1kHz. Conectamos entonces el circuito bajo prueba según muestra la figura 26, recordando que, si fuera un amplificador, el parlante debe ser sustituido por una carga resistiva. Esto es necesario porque las características eléctricas y mecánicas de este componente hacen que tengamos en la salida una impedancia compleja capaz de distorsionar fuertemente señales que estén presentes allí. Un resistor, una carga resistiva pura por lo tanto, con disipación apropiada según la potencia del amplificador, no tiene ninguna reacción compleja que afecte el circuito analizado. Aplicamos entonces la señal en la entrada según las características exigidas por el aparato analizado, o sea: - Amplitud dentro de la banda de operación, de modo de evitar la saturación. - Frecuencia dentro de lo que está previsto para operación del aparato.

- Medir la tensión de salida El osciloscopio debe ser ajustado para análisis - Verificar el ripple de señales AC o DC según el circuito tenga salida - Determinar anormalidades en los compo- referida a la tierra o no. nentes de filtrado y regulación de tensión. La llave de selección de tiempos de barrido debe permitir la visualización de algunos ciclos de la señal aplicada en la entrada. VERIFICACIÓN DEL ESTADO DE ETAPAS DE AUDIO Un amplificador con buena fidelidad tiene una respuesta que permite la reproducción de la forma Los amplificadores de audio, los mezcladores, de onda original. Sin embargo, se pueden visualizar preamplificadores, y otros equipos para música, de- distorsiones que pueden ser causadas por deficienben operar con señales en una amplia banda de fre- cias en el circuito. Lo dicho se muestra en la figura cuencias sin presentar distorsiones. 27. En (a) tenemos una distorsión de baja frecuenUna técnica que permiten verificar con la ayuda cia. Observe que la señal sube hasta alcanzar el de un osciloscopio si un amplificador está funcio- máximo, revelando una respuesta buena en la trannando correctamente, y que sea relativamente sim- sición rápida de la señal rectangular de entrada (resple y eficiente es la que emplea un generador de se- puesta buena en alta frecuencia), sin embargo, cuando la tensión se Figura 27 estabiliza en el nivel Figura 26 alto, el amplificador no mantiene el nivel, revelando una caída gradual, o sea, una respuesta en bajas frecuencias. Una de las causas posibles para un problema de este tipo en un am-

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Pruebas en Equipos plificador es la abertura de capacitores de acoplamiento. En (b) tenemos un problema de respuesta de altas frecuencias. La señal no consigue acompañar la subida rápida de la tensión hasta el nivel alto, presentará una pendiente en el borde de la señal. Después de esto, la señal se estabiliza satisfactoriamente en el nivel alto, eso revela que la respuesta de baja frecuencia está buena. Entre las posibles causas de este problema podemos citar capacitores de desacoplamiento abiertos o bien problemas de capacitores de acoplamiento alterados o con fugas. Finalmente en (c) tenemos un caso de una mala respuesta de bajas frecuencias en un amplificador.

El Osciloscopio en el Automóvil Para saber usar el osciloscopio, en un sistema de ignición de automóvil, debemos en primer lugar tener bien claro su principio de funcionamiento. En principio, digamos que en la actualidad los vehículos vienen provistos de sistemas de encendido computarizados. Sin embargo, siguen siendo comunes los dispositivos con distribuidor y bobina. En la figura 28 tenemos un sistema simple de encendido (convencional) que funciona de la siguiente manera: Con el movimiento del motor, los platinos abren y cierran, estableciendo pulsos de corriente en el bobinado primario de la bobina de encendido. Estos pulsos inducen en el secundario pulsos de alta tensión (algunos millares de volt) que son llevados al distribuidor. El distribuidor no es más que una llave selectora giratoria comandada por el motor. La rotación del motor, determina entonces a cuál bujía debe ser enviado el pulso de alta Figura 28 tensión. Este pulso provoca, entonces, en la bujía correspondiente, la aparición de una chispa, que da comienzo a la combustión de la mezcla aire combustible Osciloscopio -

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del cilindro. Para que el sistema de encendido de este tipo funcione perfectamente, las chispas deben ser producidas en el instante exacto en que el cilindro alcanza un determinado grado de compresión, o sea, en determinada posición del eje del motor. Esta posición debe tener su correspondencia en el accionamiento del distribuidor y también de los platinos. Como la bobina representa una carga inductiva y además de eso existen problemas de inercia mecánica, el rendimiento de un sistema de este tipo no es igual en todas las rotaciones. Incluso en las rotaciones bajas no tendremos un pulso ideal de tensión en la bobina, pero sí una oscilación según muestran las curvas de la fig. 29. Figura 29 Un análisis de estas formas de onda en el circuito de los platinos no sólo permite realizar el ajuste ideal del sistema (ángulo de abertura y punto) sino también detectar problemas. La presencia de un capacitor, para eliminar los chispeos entre los contactos de los platinos, forma con el bobinado de la bobina de encendido un circuito oscilante, responsable por las oscilaciones amortiguadas que pueden aparecer. En la figura 30 tenemos un diagrama simplificado de un sistema de encendido electrónico por descarga capacitiva que es actualmente uno de los más usados. Figura 30

En este sistema tenemos un inversor que produce una alta tensión (entre 400 y 600V) que es aplicada al primario de la bobina de encendido para la producción de alta tensión en las bujías. Normalmente, un capacitor de valor elevado (algunos microfarad) se carga para después descargar-

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Pruebas en Equipos se por la bobina comandada por un SCR. En el SCR conectamos los platinos, o en los vehículos más modernos los sensores magnéticos, ópticos o de otro tipo, se evitan así los problemas de contactos. Tales sistemas no usan en muchos casos los tradicionales platinos. Con el osciloscopio debe notar la ausencia de señales amortiguadas (oscilaciones) dado que tenemos normalmente en el control circuitos electrónicos de alta impedancia de entrada que operan con corrientes muy bajas y de características resistivas. Para el secundario tenemos la forma de onda con una oscilación inicial de corta duración. Observe la presencia de una señal más pura con un período de chispa y la disipación de energía no usada en forma de calor. Búsqueda de Fallas en el Encendido Comenzamos con el análisis de la forma de onda del secundario del sistema, conectamos el osciloscopio al cable de la bujía. El motor del vehículo debe estar ajustado para una rotación acelerada en vacío, alrededor de 2000rpm. Debemos entonces hacer una comparación entre la forma de onda observada y la forma de onda considerada normal por el fabricante del vehículo. En la figura 31 tenemos las imágenes observadas en un sistema normal. Las frecuenFigura 31 cias de las señales obtenidas en un sistema de encendido del automóvil son relativamente bajas. Para un motor de 4 cilindros, girando a 1.000rpm, tenemos 4.000 pulsos de encendido por minuto, lo que corresponde a una frecuencia de 66,6Hz. Para 6 cilindros tenemos 6.000 pulsos por minuto, lo que corresponde a una frecuencia de 100Hz. De esta forma, el osciloscopio debe estar ajustado para un tiempo de barrido relativamente largo. Así, si el barrido fuera de 100ms tendremos para una señal de 100Hz la visualización de 10 ciclos. Para 10ms tendremos la visualización de 1 ciclo solamente. La amplitud, por otro lado, depende del sector analizado y del modo de captación. Para una observación de señales de platinos, la tensión es de 12V pero las oscilaciones debidas al circuito LC (primario y capacitor) pueden tener una amplitud mayor.

Para el secundario, dependiendo de la sensibilidad del captador, debemos tener señales de algunos microvolt hasta algunos milivolt. En el análisis de las señales del secundario tendremos que verificar cilindro por cilindro, lo que corresponde a una frecuencia dividida por 4 o por 6 según el motor. El barrido debe entonces ser ajustado para tiempos más largos, del orden de 100ms por ejemplo.

EL OSCILOSCOPIO EN LA REPARACION DE TV La utilización de un osciloscopio con recursos propios para señales de TV se hace mucho más interesante, lo que significa que los equipos adecuados para el trabajo con TV poseen algunas diferencias en relación con los osciloscopios de uso general. Los osciloscopios para servicios específicos en TV, poseen como importante recurso la posibilidad de sincronizar la imagen con la propia señal de video, eligiéndose el componente vertical de baja frecuencia (cuadro) y el componente horizontal (línea), para la observación de toda la imagen o solamente de una línea, Figura 32 según se desee. En la figura 32 tenemos la forma de onda típica de una señal de TV. Cuando elegimos el dispa- Figura 33 ro en la posición TV-V o TVcampo (Field), aparece la señal correspondiente a una pantalla completa o a un Figura 34 campo, según muestra la fig. 33. La señal puede estar con polarización positiva o negativa (figura 34), lo que de-

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Pruebas en Equipos be ser tenido en cuenta en su interpretación. Por otro lado, si elegimos el disparo Figura 35 (TRIG) en el modo TV-H o TV-line (línea), tendremos la observación de la señal correspondiente a una línea de la señal de video, según muestra la figura 35. Algunos osciloscopios solamente sincronizan la señal de línea si el pulso es negativo, lo que hay que tener en cuenta al retirar del televisor la muestra para análisis. Es importante observar que el retiro de la señal del circuito de un televisor, exige cuidados en función de la frecuencia involucrada y también de la propia intensidad. En los televisores encontramos básicamente 3 tipos de señales: a) Las señales del sector de audio, que son semejantes a las de cualquier amplificador convencional. b) Las señales de altas frecuencias generadas en el propio aparato, que son dos osciladores de barrido y del propio circuito receptor de alta frecuencia en el selector de canales como el conversor/mezclador. c) Finalmente tenemos las señales que son recibidas por el televisor a partir de una estación y que son procesadas por los circuitos. En los televisores en colores tenemos circuitos adicionales que operan tanto con señales recibidas como con señales generadas en el propio aparato. La mayoría de los diagramas de televisores poseen indicaciones de las formas de ondas en los principales puntos con indicaciones que facilitan al técnico la detección de eventuales anormalidades. Debemos alertar al lector que en la mayoría de los televisores existe una tolerancia de más o menos 20% en la amplitud de las señales indicadas, lo que podría llevar al técnico de menos experiencia a pensar que hay una etapa con falta de ganancia u otro problema, al observar una diferencia de este orden en una señal. También es importante notar que en los manuales de servicio de muchos televisores están previstos los procedimientos para ajuste y pruebas con salidas para el osciloscopio en la propia placa de circuito impreso, lo que facilita mucho el trabajo del técnico. Para los pulsos que aparecen en muchos puntos Osciloscopio -

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de un aparato de TV, también debe ser considerada una tolerancia en relación con la forma y el ancho. Un caso importante a ser considerado en un televisor es que algunas señales tienen como exigencia básica la linealidad. Esto es válido por ejemplo para la señal diente de sierra de deflexión. Una variación de esta linealidad provoca problemas de imagen. La linealidad puede ser observada fácilmente en el osciloscopio y con una regla podemos hasta medirla. No debe superar el 15% de lo permitido, para un funcionamiento normal. Para observar formas de ondas en las diversas etapas, un osciloscopio de hasta 20MHz sirve perfectamente para la localización de fallas. En la observación de los pulsos es muy importante que el osciloscopio tenga una buena respuesta en este límite de frecuencia, para que podamos constatar cualquier deformación, sin peligro de pensar que la misma se debe al circuito analizado, cuando en la realidad es provocada por los circuitos amplificadores del propio osciloscopio. Los pulsos de sincronismo son ejemplos de puntos críticos en la observación, ya que los mismos pueden sufrir este tipo de deformación en el propio osciloscopio si éste no está debidamente calibrado, o presentar alguna anormalidad de operación. Como el receptor de TV opera con banda lateral vestigial, ocurren deformaciones en el pulso luego de ser detectado, después de lo cual el mismo sufre una serie de integraciones que lo llevan a la forma original. La interpretación errónea de estas fases intermedias de procesamiento del pulso pueden llevar al técnico a deducir que algo va mal en el televisor, cuando en realidad esto no ocurre. Esto puede ocurrir cuando el técnico no posee un diagrama con las formas de onda previstas e intenta él mismo deducir lo que encuentra. No es objeto de esta obra explicar cómo se repara un televisor ni la forma de implementar los ajustes, pero si es preciso aclarar que este instrumento facilita mucho la tarea del técnico reparador.

MEDICIONES EN OSCILADORES Todos los transmisores poseen osciladores que generan las señales de alta frecuencia para que, después de amplificados, y eventualmente modulados, puedan resultar en la señal final para aplicación en una antena.

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Pruebas en Equipos La primera etapa del circuito es justamente un oscilador que puede admitir diversas configuraciones. En los circuitos más simples que operan en frecuencia única como las emisoras de radiodifusión, el oscilador es controlado por un cristal de cuarzo a veces en una cámara térmica de modo de impedir cualquier desvío de frecuencia por variaciones de temperatura. La verificación del funcionamiento de un oscilador de este tipo puede ser hecha de modo directo según muestra la figura 36. Se puede entonces medir tanto la frecuencia de la señal que está siendo generada como también su amplitud. Es interesante observar que un Figura 36 oscilador de este tipo puede usar un cristal que opere en la frecuencia fundamental o en sobretono. El circuito oscilará entonces en una frecuencia múltiple de aquélla para el cual el cristal es cortado (2fo, 4fo) normalmente en un valor par. Si analizamos las formas de onda en un circuito en que el cristal opera en la frecuencia fundamental y analizamos un circuito en que tenemos la operación en un sobretono, habrá una diferencia. Esta diferencia es mostrada en la figura 37. En la fundamental la amplitud de los ciclos se Figura 37 mantiene constante, sin variaciones, con todos los ciclos con la misma intensidad. Operando en un sobretono, tenemos ciclos alternados de mayor intensidad, como muestra la misma figura. La señal para verificación de funcionamiento en un osciloscopio puede ser retirada directamente de un transistor oscilador o de una placa de válvula, pero existen otros modos de verificar el funcionamiento de un oscilador sin la conexión directa por medio de un eslabón de captación en torno de la bobina

osciladora o bien la bobina tanque usada en la etapa de salida de la etapa, como muestra la figura 38. Evidentemente, en este caso, la señal tendrá una amplitud muy pequeFigura 38 ña, lo que exige la colocación de los controles de sensibilidad en los puntos máximos.

MODULACIÓN El osciloscopio constituye una excelente herramienta para verificación y ajuste de modulación en diversos tipos de equipos de transmisión. Enfocaremos específicamente en esta lección el uso en el ajuste y verificación de la modulación en amplitud (AM) y de la modulación en frecuencia (FM). En la modulación en amplitud lo que se hace es variar la intensidad de una señal de alta frecuencia de acuerdo con una señal de baja frecuencia, como muestra la figuFigura 39 ra 39. Si la señal de baja frecuencia no consigue variar la amplitud de la señal de alta en 100% de su valor, no tendremos la modulación total, o sea, tendremos un porcentaje de modulación inferior a 100%, lo que no es interesante en términos de aprovechamiento de la potencia de un transmisor. Por otro lado, si la intensidad de la señal moduladora fuera muy fuerte, tendremos una sobremodulación o modulación mayor que 100% que se caracteriza por una distorsión de la señal y la producción de oscilaciones armónicas que “roban” la potencia

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Barrido Alternado y Chopeado del equipamiento. Se genera interferencia y el rendiBARRIDO CHOPEADO miento de la transmisión cae. Aplicando una señal de audio moduladora de 1kHz se puede verificar o Para señales de baja frecuencia, si la persistenajustar su modulación, basada en la forma de onda cia del tubo no es grande, con barrido alternado no visualizada en un osciloscopio. se podrán visualizar bien las señales, pues de cada 2 ciclos se muestra 1 y, si además estoy en frecuencias inferiores a 50Hz, tendremos problemas. Para BARRIDO ALTERNADO solucionar esto la llave electrónica del diagrama en bloques anterior es manejada por un circuito conComo hemos explicado en otros capítulos, exis- mutador de frecuencias, bastante superior a las que ten básicamente dos formas de presentar dos seña- se está inyectando por ambos canales, de forma tal les en una misma pantalla del TRC, una es a través de tomar un trozo de cada canal de manera alternade un barrido chopeado y la otra es mediante el ba- da y si la frecuencia con que se hace es grande, enrrido alternado. tonces la persistencia del ojo hará que se vea en liEl barrido alternado posee dos sistemas vertica- nea llena la imagen en pantalla, esto se logra moles compuestos por atenuador y preamplificador, la dulando levemente en frecuencia la señal chopeasalida de los cuales se conectará a una llave elec- dora, de manera que ocupe espacios distintos en trónica de tal manera de poder seleccionar la salida pantalla (en ciclos distintos de señal) la señal visuade uno u otro preamplificador internamente. lizada. La llave se coloca donde se indica, pues el nivel Ahora, como es lógico, sólo se puede tomar sinde ruidos introducidos por la conmutación queda cronismo de uno u otro canal. Para que no se dibumuy por debajo del nivel de señal y no se coloca a jen los trazos de conmutación hay que mandar una la salida del amplificador final por varias razones, orden al eje Z del osciloscopio, para ello se podría primero porque necesitaría fabricar dos amplificado- diferenciar los pulsos de conmutación, rectificarlos res que manejen potencia y ancho de banda con ca- en onda completa y mandarlos al eje Z. racterísticas similares y, segundo, porque la llave En la práctica esto no se logra muy bien y, por lo debería conmutar una tensión elevada. tanto, lo que se hace es tener la salida del conmuEl sincronismo se consigue mediante una llave tador, su información negada, desfasar ambas y que permite seleccionar el canal deseado de tal for- restarlas. ma que si la frecuencia del otro es diferente, no estará quieta en pantalla, o toma sincronismo luego de la llave (en punteado) para sincronizar ambos cana- Este manual se complementa con bibliograles en forma alternada. fía sobre reparación de equipos sin cargo. La llave electrónica que podría ser construida Por ser comprador de esta edición, Ud. tiene con FLIP-FLOPS, transistores, diodos, etc. es maacceso a manuales sobre Reparación con el nejada por una señal que surge de hacer pasar la Osciloscopio en Equipos de Audio TV y Virampa de barrido por un circuito conformador de deo en Internet GRATIS. Para acceder a los onda cuadrada. La bajada de la rampa es un pulso de disparo mismos, vaya a nuestro sitio: perfecto para hacer conmutar el Flip-Flop, esa señal www.webelectronica.com.ar es la que maneja la llave electrónica. Los preamplificadores poseen un control de nivel Luego haga click en el ícono password y dide continua para poder variar la posición de ambas gite la clave: manuosc imágenes en pantalla y lograr que no aparezcan suISBN: 987-9227-90-5 perpuestas. La dificultad de la conmutación se agrava a alta Editorial Quark SRL - Herrera 761, (1295) Bs. As. Argentina frecuencia, pues dicha conmutación no es un flanco Director: Horacio D. Vallejo - Tel.: (005411) 4301-8804 En Internet: sino que tiene una cierta duración, pero no hay in- www.webelectronica.com.ar - Impresión: Talleres Gráficos Conforti, Bs. As. Julio de 2002. Distribución en Argentina: Capital - Carlos Cancellaro e Hijos SH, conveniente, si ese período de conmutación queda Gutenberg 3258, Capital - Interior: Bertrán S.A.C., Av. Vélez Sarsfield 1950, Capital dentro del período de borrado de la rampa.

Importante:

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