Una sonda en electrónica es simplemente un circuito que adapta el instrumento medidor a lo que se desea medir en un punto concreto. Ese circuito puede variar dependiendo de la naturaleza de la intervención, pero en su utilización es siempre obligatorio o recomendable que esté lo más cerca posible del punto de medida. La utilidad de las sondas viene dada básicamente por la necesidad de crear un filtro separador/convertidor entre el punto de medida y el medidor con la intención de que ese punto acuse minimamente la intervención realizada.

Las sondas se pueden desglosar principalmente en dos tipos: las que quedan asociadas a aparatos medidores, por lo que llevan redes de salida adaptadas a la resistencia de entrada del aparato medidor para así preservar el escalado de la medida (*1), y las que están diseñadas para el tratamiento u observación de la señal, por lo que se proveen de unas redes de salida más genéricas, aunque muchas pueden estar perfectamente adaptadas en cuanto a la precisión cuantitativa de la medida. Entre esas últimas, están las demoduladoras, que se dividen en dos tipos: de diodo en serie y de diodo en shunt. La diferencia se encuentra en que las de tipo serie proveen una adaptación de más alta impedancia que las de tipo shunt, con lo que la salida queda menos afectada pero sí la respuesta en anchura de banda, por ello las primeras son más usadas en los signal-tracers ya que proporcionan más sensibilidad, y las segundas son más usadas en los osciloscopios porque ofrecen mejor forma de onda en aplicaciones de banda ancha.

El circuito de una sonda propiamente dicha es la suma de una parte operacional (que es fácil de ver en el esquema pero que puede no estar en determinados tipos de sondas), y una red de filtro o desmultiplicadora (que casi siempre está pero que no es fácil de ver sobretodo si no se tiene en cuenta las características de entrada del aparato medidor y del cable de conexión al mismo.

 
Tipos estandarizados de sondas y usos típicos:

• Sondas de Tensión. Destinadas a ampliar el rango de medición en CC y CA de un aparato medidor. Están basicamente compuestas por un divisor de tensión resistivo o capacitivo que está en combinación con las características de entrada del aparato medidor.
• Sondas de Radiofrecuencia, llamadas Rectificadoras en aplicaciones de voltaje o Demoduladoras/Detectoras en aplicaciones de análisis de envolvente. Destinadas a convertir una señal de RF (por lo tanto de CA) en una tensión de CC rectificando la señal (dejando sólo un semiperíodo), y a partir de ahí medir o mostrar. El aparato receptor puede ser un Voltímetro, un Osciloscopio, o un Amplificador de BF (Signal Tracer).
   
  1. Uso con Voltímetro (VTVM, VOM, DMM): Una sonda demoduladora (de RF) es necesaria en un voltímetro cuando se desea medir voltajes de frecuencia superior al rango de frecuencia de CA cubierto por el aparato.
  2. Uso con Osciloscopio: Usos habituales son medir radiofrecuencias moduladas y tensiones dentro de un espectro dado. Cuando se mide una frecuencia modulada en amplitud (AM) la particularidad que hay que tener en cuenta es que se pueden visualizar dos lecturas dependiendo de la frecuencia de barrido, la de voltaje y la de envolvente: la de voltaje es cuando se selecciona un barrido igual o similar a la frecuencia de la CA de entrada (alto); la de envolvente es cuando se selecciona un barrido dentro de la gama de audio que modula la frecuencia de entrada (bajo). La medición de tensiones dentro de un espectro es cuando se usa la sonda para rectificar la señal proviniente de un aparato, o circuito, el cual tiene en su entrada una señal proviniente de un generador de barrido (vobulador).
  3. Uso con un amplificador de audio (operatoria signal tracer): Las secciones de radiofrecuencia del aparato que se este comprobando pasarán al amplificador de audio la onda de sonido (si la hay); en las secciones de baja frecuencia la conexión debe ser directa.
      
• Sondas de Baja Capacidad de contacto y elevada aislación de salida. Cuando se necesita una extrema separación entre la medición y el aparato receptor. Destinadas tanto a aplicaciones de medición como a visualización en circuitos de alta impedancia y banda ancha. Para que una banda pasante no se altere es necesario que la constante de tiempo RC de la sonda sea igual a la constante de tiempo RC de la entrada del aparato receptor. Es la sonda estandard de osciloscopio.

En todas ellas se procura que su intervención afecte lo mínimo al circuito en estudio.

De alto rendimiento pero con red separadora de entrada al instrumento. Conectada a un VTVM dará lecturas de pico ya que no lleva red de adaptación a RMS (*1). También puede adaptarse favorablemente a un osciloscopio debido a que lleva red de separación. En ambos casos habrá una pérdida de señal debido al efecto shunt de la resistencia de 1 Mohm.

De alto rendimiento, directa, sin red de adaptación al instrumento, salida en valores de pico.

Dará lecturas RMS en el rango de CC que tenga esa resistencia de entrada aproximada en las escalas bajas (tester corriente de unos 1000 Ohms/Voltio). Los testers analógicos (VOMs o AVOs) tienen una resistencia diferente para cada escala. También puede adaptarse favorablemente a un osciloscopio debido a la red de separación y sin pérdida de señal.

Dará lecturas RMS en la escala CC de un VTVM que posea la resistencia de entrada habitual de 10 Mohms. En realidad los VTVM tienen una resistencia de entrada en las escalas de CC de 11 Mohm debido a que en la punta de prueba o conexión de CC llevan una resistencia separadora de 1 Mohm (*1). Aplicada a un osciloscopio acusará atenuación de señal dependiendo de su resistencia de entrada.

Diseñada para eficacia de imagen (filtro de RF) pero producirá atenuación de la señal. Visualización en niveles de pico con filtrado total de la componente de RF; la salida que se obtendrá en el osciloscopio es la forma de la onda de BF (componente de audio) que modula la onda de RF.

La parte de baja capacidad proporcionará una atenuación precisa de X10 en un osciloscopio que tenga una impedancia de entrada de unos 3.6 Mohms.

Atenuará X10 para una impedancia de unos 2 Mohms, y X20 para 1 Mohm. Se puede alterar el valor de la resistencia de 22 Mohms para cambiar la adaptación.

Esta sonda duplica el voltaje pero la impedancia que ofrece al circuito de toma es mucho menor que las de media onda, así como también lo es la respuesta de frecuencia. Tiene el inconveniente añadido de que la masa de la sonda no es común con la del VTVM por lo que el VTVM NO deberá estar conectado a tierra o masa común y resultará ideal un DVM siempre y cuando tenga la suficiente respuesta de frecuencia. El blindaje y masa de la sonda se conecta a la masa del aparato bajo prueba, el blindaje del coaxial al VTVM; no hay masa compartida.

(*1) Correcciones resistivas: divisor RMS (CA) y 1 MΩ (CC).

En las sondas de medida rectificadoras de media onda, y por lo tanto destinadas a ser conectadas a la entrada de CC de un medidor en el que sus escalas (logicamente) no están corregidas a valores RMS como sucede con las de CA, hay que tener en cuenta que para convertir el valor de pico de la CA de entrada (Vp) a un valor RMS es necesario multiplicarlo por 0,707. Esa es la reducción que deberá de aplicar el divisor de tensión de la sonda con relación a la tensión de entrada si se quiere ofrecer un valor eficaz (RMS) en la salida. Por lo tanto la resistencia de escalado en serie con la resistencia interna del aparato medidor tendrá que guardar la relación (1 - 0,707) / 0,707 = 0,414 veces esa resistencia interna. Así para un VTVM (Voltímetro a Válvula) con la resistencia de entrada habitual en CC de 10 Mohm (sin considerar el valor añadido de 1 Mohm de la punta de CC), la resistencia de escalado deberá ser de 4,14 Mohm (10 x 0,414). El valor normalizado más cercano es 3,9 Mohm, pero en aplicación práctica se usa una resistencia de 4,7 Mohm, como se puede ver en la sonda #309-C de Heathkit. Esta sonda convierte el valor Vpp en valor Vp por efecto de la rectificación, y luego ese valor Vp se entrega a una red reductora para valor RMS constituída por la resistencia serie de 4,7 Mohm y el valor de entrada a masa del aparato (10 Mohm). El valor de la resistencia de 1 Mohm (con la cual esta ajustada la escala de CC del VTVM) se incluye al sumar el efecto resistivo de atenuación del circuito rectificador + el valor óhmico añadido por el valor de resistencia normalizado a 4,7 Mohm.

Los DMM o DVM (Testers Digitales) tienen, al igual que los VTVM de diseño standard (habían VTVM con impedancias superiores), un valor de impedancia de entrada de 10 Megohmios, pero no llevan resistencia separadora de carga en las puntas al considerarse que la aplicación usual de esos voltímetros es en aparatos modernos, los cuales funcionan con circuitos de baja o relativa baja impedancia; una carga de 10 Megohmios en estos aparatos ya resulta muy elevada, no necesitan más separación con el aparato de medida. Sin embargo los circuitos a válvulas son de alta o relativa alta impedancia, una carga de 10 Megohmios puede afectar a las lecturas, por lo que se añade separación extra de 1 Megohmio en la punta de prueba de CC.

Por ello, aunque la resistencia de entrada de DVMs y VTVMs sea la misma, los testers digitales NO están ajustados contemplando la resistencia adicional de 1 Megohmio en escalas de CC. Las puntas de prueba de los DVM son cables directos, por lo tanto un DVM viene internamente ajustado sin tener en cuenta ninguna resistencia adicional a su entrada. Por ello, cualquier diseño para sonda de voltaje de RF para DVM debe tener en cuenta que el valor reductor a RMS NO requiere incluir el valor óhmico de la resistencia de la punta de prueba de CC del voltímetro a válvula (en algunos modelos que llevan punta de prueba única esta resistencia se inserta mediante un pulsador). Así, en una sonda de RF para DVM el valor de resistencia serie (normalizado) debe ser de 3,9 Mohm y no de 4,7 Mohm; esto se olvida en muchos diseños de sonda para DVM que se pueden encontrar en internet. Resumiendo: Los DVM tienen 10 Megohmios de entrada, los VTVM también, pero en éstos las escalas de CC incluyen un valor serie de 1 Mohm en el ajuste, valor que no está incluído en el ajuste de los DVM.
 

Limitaciones de las sondas.

Determinadas principalmente por las características del diodo y la carga que producen en el punto de toma.

1. Limitación de señal (voltaje de entrada): El más importante a tener en cuenta, y está condicionado por el voltaje inverso del diodo, por lo que hay que asegurarse no sobrepasar el límite. Se pueden conectar diodos en serie (Heathkit PK-3) para aumentar Vp o bien utilizar resistencias o capacidades como divisores de tensión. Los diodos de germanio OA91, OA95, de 90 Vp con bajo potencial de contacto son muy recomendables.
2. Poca sensibilidad a señales débiles: Con este tipo de señales los diodos son más o menos "perezosos en levantarse" (potencial de contacto) y "lentos en vestirse" (falta de linealidad de codo) hasta que reciben "una orden" (voltaje) lo suficientemente fuerte. A partir de ahí ya tienen un comportamiento lineal hasta que se va produciendo... (ver siguiente punto).
3. Atenuación a frecuencias altas: Aunque hay diodos mejores y peores para frecuencias elevadas, la atenuación dependerá del tipo de diodo, diseño de la sonda, y uso concreto de la misma en el circuito bajo prueba.

Tipos de diodos en las sondas.

Los diodos para sondas electrónicas suelen ser de germanio, del tipo usado en circuitos demoduladores o detectores. En sondas clásicas son comunes los tipos 1N34 (OA85), OA91 u OA95 o equivalentes más modernos; se escoge el germanio por su bajo potencial de contacto. El concepto "potencial de contacto (PC)", también llamado "de barrera", se puede explicar de forma poco técnica pero práctica como que el diodo tiene pereza para ponerse a trabajar, y el estímulo para vencer esa pereza es el potencial de contacto. Aplicando el potencial de contacto exacto el diodo queda preparado para empezar a trabajar, pero desde un lugar que ya no es el cero absoluto del circuito, por ello si el circuito trabajase siempre dentro del margen del potencial de contacto el diodo nunca conduciría (nunca se "abriría"). También hay que tener en cuenta que el comportamiento del diodo en márgenes de potencial de contacto no es lineal.

El valor CC proviniente de una semionda de CA equivale al valor Vp (pico) del gráfico de arriba. El voltaje directo (forward voltage) de CA o CC necesario para "despertar" a un diodo habilitando que pase por él la corriente depende del tipo de dispositivo (vacío o estado sólido) y material semiconductor usado en el caso de estado sólido.

Material semiconductor / Potencial de contacto

Germanio (Ge)	0,37 voltios
Silicio (Si)	0,78 voltios
Arseniuro de Galio (GaAs)	1,21 voltios

Estos valores Vp aunque parecen precisos son indicativos, no son uniformes ni generalizables. Muchas veces en algunos cálculos el potencial de contacto del germanio no se tiene en cuenta al ser usados tipos con un PC muy bajo (0,2 voltios, hay textos diciendo que el germanio no tiene potencial de contacto), en otros el PC se suma al voltaje obtenido a la salida del diodo como si ese voltaje fuese una diferencia de potencial producida por la inserción de una resistencia, y en otros se usa un valor fijo redondeado.

Los diodos diseño Schottky tienen un PC similar al germanio y más habilidad de procesar frecuencias elevadas, pero con el inconveniente de que no aceptan tensiones de polarización inversa tan altas como aceptan los diodos comunes.
 

Efectos de carga, multiplicación de voltaje.

La precisión y efectividad real de las sondas está directamente relacionada con la carga que causan en el punto de toma del circuito bajo prueba. Es mucho más importante escoger un punto de toma adecuado que creer que el diseño de la sonda solucionará cualquier problema, por ejemplo creer que una sonda multiplicadora solucionará la lectura de una tensión muy baja. Eso sólo será cierto si el efecto de carga de la sonda en el circuito de toma de señal es muy bajo, en caso contrario el efecto de carga neutralizará el efecto multiplicador de la sonda. Tal como se ha dicho para la sonda Heathkit 338, a más efecto de carga menor voltaje de salida.

→ Sonda RF 4x (cuadruplicadora) del libro de Zucconi que se cita en la página dedicada a los signal-tracers.

Hay muchos circuitos que pueden parecer útiles, pero casi nunca se menciona la letra pequeña, y cuándo ésta "aparece" entonces dejan de serlo. El circuito de cuatro diodos 1N34 mostrado puede ser bueno para algo, pero no es ideal para ser usado como sonda de RF para VTVM o DVM ya que este circuito sólo funcionará correctamente conectado a un punto de toma de baja impedancia. La capacitancia de los cuatro diodos está en paralelo con la entrada de la sonda, por lo que la carga al punto de toma aumenta mucho, además de que los potenciales de contacto de diodo están en serie con la señal, por lo que las señales pequeñas se pierden por causa de esos potenciales de contacto. Tanto es así, que en este caso se ha eliminado el divisor de salida de corrección a RMS [5.66 Vp = 4 Vrms (5.66 / 1.414); 0,53 RMS en la entrada equivalen a 0,749 Vp X factor 5,66 = 4,240 Vp / 1.414 para volver a convertir a RMS = 2,999 (los 3 voltios RMS fin de escala)], pero eso sólo será cierto cuando la sonda sólo cargue un 29,3 % el punto de toma. Con señales RF muy pequeñas la salida de CC Vrms proporcionada por el multiplicador quedará muy afectada por las caídas de voltaje en los diodos; y también, como ya se mencionó para la Heathkit 338, la masa de la entrada de CA no es común a la salida de CC positiva o negativa, lo que resulta engorroso. Esta sonda también es de lectura pico-a-pico y onda completa.

Una alternativa a esta sonda, menos agresiva, con menos efecto multiplicador, pero más práctica, es el diseño doblador de media onda y masa común corrientemente usado en fuentes de alimentación. Ver abajo esquema de una realización para conseguir 2x con adaptación variable según instrumento:

Equivalencias de valores con onda sinusoidal.

Hay que tener en cuenta que los VTVM y DVM (voltímetros de alta impedancia analógicos y digitales) "procesan" Vpp (voltios pico a pico) pero ofrecen las lecturas de CA en Vrms (voltios RMS) y las lecturas de CC en Vp (voltios pico); valor absoluto por ser CC.

Vp - El voltaje pico (Vp o máximo) se refiere al valor de un semiciclo de CA, no al ciclo completo, y es el valor nominal de voltaje máximo que se da en cualquier semiciclo.

— Para calcular el voltaje pico (o máximo) de un voltaje pico a pico, el voltaje pico a pico se multiplica por 0,5 (o /2).
— Para calcular el voltaje pico (máximo) de un voltaje RMS (o eficaz), el voltaje RMS se multiplica por 1,414 (o /0,707).

Dentro de un Vp a veces se puede considerar el valor medio o promedio Vpr, que es la media aritmética de todos los valores Vp medidos durante un semiciclo, y equivale a multiplicar por 0,637 el Vp. El Vpr se asocia a componentes electrodinámicos que responden promediando valores de pico al no poder "procesar" la fase del ciclo, como por ejemplo los miliamperímetros. Teniendo en cuenta la fase, el Vpr de un ciclo sinusoidal completo es 0 ya que los promedios de las dos semiondas se anulan entre sí. Para convertir un Vpr a RMS se multiplica por 1,11; para convertir RMS a Vpr se multiplica por 0,9; y para convertir Vpr a Vp se multiplica por 1,57.

Vpp - El voltaje pico a pico se refiere al valor de un ciclo de CA completo, y es el valor total desde su pico positivo a su pico negativo, por lo que la equivalencia en onda sinusoidal es el doble del valor de pico. El voltaje pico a pico es el valor a considerar cuando se miden tensiones CA con formas de onda NO sinusoidales, y es el valor que "procesan" los voltímetros de CA aunque el marcaje de escala (o ajuste interno) convierta el valor Vpp a lectura Vrms. Voltajes de ondas NO sinusoidales reflejados en escalas RMS darán lecturas erróneas.

Vrms - El voltaje RMS (o eficaz) se refiere a un ciclo completo de voltaje de CA, y especifica la cantidad de voltaje de CC que produce el mismo efecto de calentamiento o disipación de potencia en un circuito que la señal de CA durante todo el ciclo, estableciendo una relación de equivalencia efectiva, no nominal, entre CC y CA. Como ejemplo teórico, una bombilla incandescente brillará igualmente a 100 voltios CC que a 141 CA de voltaje pico ya que 141 VpCA / 1,414 (o x 0,707) = 100 Vrms (100 VCC producirán la misma potencia que 141 VCA cuando se apliquen a una misma resistencia, y viceversa). EL voltaje RMS es el valor operativo, pero sólo es válido cuando la forma de onda es sinusoidal.

— Para calcular el voltaje RMS de un voltaje pico (o máximo), el voltaje pico se multiplica por 0,707 (o /1,414).
— Para calcular Vrms de un voltaje pico a pico, el Vpp se multiplica por 0,353 (0,707/2) o divide por 2,828 (2x1,414).

• Voltaje de pico (Vp) del voltaje de línea doméstico (230V RMS) = 230 x 1,414 = 325 voltios.

• 100 voltios de pico (Vp) a RMS = 100 x 0,707 = 70,7 Vrms.

• 100 Vp = 200 Vpp en onda sinusoidal. 200 Vpp a RMS = 200 / 2,828 = 70,7 Vrms.

• Potencia disipada de 100 Vp (70,7 Vrms) sobre una resistencia de 50 ohmios = 70,7 ² / 50 = 100 vatios.

Para poder aplicar la fórmula de potencia el voltaje tiene que ser un valor RMS, por ello se multiplican los 100 voltios de CC por 0,707 (o se divide por 1,414 que es la √2) obteniéndose el equivalente de 70,7 Vrms, y entonces, siguiendo el ejemplo de arriba, se eleva al cuadrado 70,7 dividiendo el resultado por los 50 ohmios obteniendo así los 100 vatios.

El potencial de contacto en el cálculo: Si tuviésemos una lectura de 99,63 voltios CC a la salida de un diodo de germanio, deberíamos restaurar el valor correcto de entrada sumando los 0,37 voltios de PC, lo que implicaría que hay 100 Vp de CC a la entrada.

Lo que podríamos denominar sondas "invisibles" son aquellas que están incorporadas como parte del aparato medidor.

En un Voltímetro a Válvula el cable de CC lleva incluída en la punta de prueba una resistencia de 1 Mohm (valor habitual aunque podría ser otro). La inclusión de esa resistencia es importante en las medidas de CC ya que minimiza la carga del VTVM en circuitos de alta impedancia y el efecto capacitivo del cable (capacidad shunt) que va desde la punta del prueba al aparato (la resistencia "separa" la punta de su cable), y además conforma junto al cable un circuito RC pasabajos que evita en lo posible que tensiones de RF influencien al VTVM provocando lecturas erróneas, esto es, previene que posible RF existente en el circuito a comprobar circule hacia el circuito medidor.

Consecuentemente el rango de CC en un VTVM debe ser ajustado teniendo en cuenta esa resistencia, cualquier sonda que se conecte a la entrada de CC debe de proveerla, directa o implicitamente (ver la Heathkit 309-C), y de forma similar algunos osciloscopios pueden llevar en la punta de entrada una resistencia de 47 Kohm en su interior.

Un ejemplo de sonda especial es la sonda de alta tensión CC para VTVM, que es una sonda que inserta una resistencia en serie muy elevada con la entrada del VTVM. Está diseñada de forma análoga a las "invisibles", pero con MUCHA mayor aislación y efecto REDUCTOR, permitiendo a sí la medición de tensiones muy elevadas. El valor de resistencia de inserción es elevadísimo, normalmente 1090 Mohms para un VTVM de 10 Mohmios de entrada, que da un factor de reducción de X100 a 1, por lo que todos los rangos de CC quedan multiplicados por 100, así 1.500 serían 150.000 pero por razones de seguridad el límite práctico es de 30.000 voltios. Esta sonda sustituye a la invisible de 1 Mohm que va dentro de la punta de CC por otra de 1090 Mohms, convirtiendo así la resistencia total de entrada del VTVM de 11 Mohms a 1.100 Mohms (1090 punta + 10 entrada del VTVM). Sondas de este tipo son la Heathkit 336 o la IMA-100-11 y la Retexkit VV-3 (ver esquema abajo de la sonda HV Knight, pasar el mouse sobre la Heathkit para ver el montaje interno, hacer clic para ver la resistencia). Para VTVMs de estado sólido ajustados para funcionar sin la resistencia separadora de 1 Mohm en la punta CC (todos los modernos), Heathkit comercializó la sonda de alta tensión IMA-100-10, que inserta una resistencia de 990 Mohms, restando así la equivalencia de la resistencia separadora de 1 Mohm.

Knight HV probe, esta sonda tiene la peculiaridad de utilizar cable coaxial RG-58/U como protección adicional.

Sonda HV modelo 336 o IMA-100-11 de Heathkit

Esta sonda puede tener una tolerancia del 2%, o sea ± 21,8 Mohmios (click para ver la MEGaresistencia).

Y la versión moderna de esa sonda (FLUKE), que como se puede ver es casi idéntica a la clásica.

También es especial la sonda de alta tensión CA (señal o pulso) para osciloscopio (Tektronix). Sonda de aplicacion en osciloscopios (1 MΩ CC entrada mínimo), soporta hasta 20.000 voltios y consiste en integrar una sonda de alta tensión + una de baja capacidad, tiene punto de toma de 100 Mohmios con reducción X1000.