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La fisica y quimica

Diseño de amperímetro

 

Amperímetros miden la corriente eléctrica

 

Un medidor diseñado para medir corriente eléctrica se conoce popularmente como un ” amperímetro ” porque la unidad de medida es “amperios”.

 

En los diseños de amperímetro, las resistencias externas agregadas para extender el rango útil del movimiento están conectadas en paralelo con el movimiento en lugar de en la serie como es el caso de los voltímetros. Esto es porque queremos dividir la corriente medida, no el voltaje medido, yendo al movimiento, y porque los circuitos divisores de corriente siempre están formados por resistencias paralelas.

 

Diseño de un amperímetro

 

Tomando el mismo movimiento del medidor que el voltímetro ejemplo, podemos ver que sería un instrumento muy limitado por sí mismo, la deflexión a gran escala se produce a solo 1 mA:

 

Como es el caso de extender la capacidad de medición de voltaje del movimiento de un medidor, tendríamos que volver a etiquetar la escala del movimiento para que se lea de manera diferente para un rango de corriente extendido. Por ejemplo, si quisiéramos diseñar un amperímetro para tener un rango a escala completa de 5 amperios utilizando el mismo movimiento del medidor que antes (con un rango intrínseco a escala completa de solo 1 mA), tendríamos que volver a etiquetar el movimiento escale para leer 0 A en el extremo izquierdo y 5 A en el extremo derecho, en lugar de 0 mA a 1 mA como antes. Cualquiera que sea el rango extendido proporcionado por las resistencias conectadas en paralelo, tendríamos que representar gráficamente en la cara de movimiento del medidor.

 

parallel connected resistors

 

Usando 5 amperios como un rango extendido para nuestro movimiento de muestra, determinemos la cantidad de resistencia paralela necesaria para “derivar” o desviar, la mayoría de la corriente, de modo que solo 1 mA pasará por el movimiento con una corriente total de 5 A:

 

parallel resistance example

 

meter movement table

 

A partir de nuestros valores dados de corriente de movimiento, resistencia de movimiento y corriente de circuito total (medida), podemos determinar el voltaje a través del movimiento del medidor ( Ley de Ohm aplicada a la columna central, E = IR) :

 

meter movement table

 

Sabiendo que el circuito formado por el movimiento y la derivación tiene una configuración paralela, sabemos que el voltaje a través del movimiento, la derivación y los cables de prueba (total) debe ser el mismo:

 

meter movement table

 

También sabemos que la corriente a través de la derivación debe ser la diferencia entre la corriente total (5 amperios) y la corriente a través del movimiento (1 mA), porque las corrientes derivadas se suman en una configuración paralela:

 

meter movement table

 

Luego, usando la Ley de Ohm (R = E / I) en la columna derecha, podemos determinar la resistencia de derivación necesaria:

 

meter movement table

 

Por supuesto, podríamos haber calculado el mismo valor de poco más de 100 miliamperios (100 mΩ) para la derivación calculando la resistencia total (R = E / I; 0,5 voltios / 5 amperios = 100 mΩ exactamente), luego trabajando la fórmula de resistencia paralela al revés, pero la aritmética habría sido más difícil:

 

parallel resistance formula

 

Un amperímetro en diseños de la vida real

 

En la vida real, la resistencia de derivación de un amperímetro generalmente estará encerrada dentro de la carcasa metálica protectora de la unidad del medidor, oculta a la vista. Observe la construcción del amperímetro en la siguiente fotografía:

 

ammeter construction

 

Este amperímetro en particular es una unidad automotriz fabricada por Stewart-Warner. Aunque el movimiento del medidor D’Arsonval en sí mismo probablemente tenga una clasificación de escala completa en el rango de miliamperios, el medidor en su conjunto tiene un rango de +/- 60 amperios. La resistencia de derivación que proporciona este alto rango de corriente está encerrada dentro de la carcasa metálica del medidor. Observe también con este medidor en particular que la aguja se centra a cero amperios y puede indicar una corriente “positiva” o una corriente “negativa”. Conectado al circuito de carga de la batería de un automóvil, este medidor puede indicar una condición de carga (corriente que fluye del generador a la batería) o una condición de descarga (corriente que fluye de la batería al resto de las cargas del automóvil).

 

Incremento del rango utilizable de un amperímetro

 

Como es el caso de los voltímetros de rango múltiple, a los amperímetros se les puede dar más de un rango utilizable al incorporar varias resistencias de derivación conmutadas con un interruptor multipolar:

 

multirange ammeter

 

Observe que las resistencias de rango están conectadas a través del interruptor para estar en paralelo con el movimiento del medidor, en lugar de estar en serie como estaba en el diseño del voltímetro. El interruptor de cinco posiciones hace contacto con una sola resistencia a la vez, por supuesto. Cada resistencia está dimensionada en consecuencia para un rango de escala completa diferente, basado en la clasificación particular del movimiento del medidor (1 mA, 500 Ω).

 

Con un diseño de medidor de este tipo, cada valor de resistencia se determina mediante la misma técnica, utilizando una corriente total conocida, índice de deflexión de escala completa de movimiento y resistencia al movimiento. Para un amperímetro con rangos de 100 mA, 1 A, 10 A y 100 A, las resistencias de derivación serían las siguientes:

 

shunt resistances ammeter

 

¡Observe que estos valores de resistencia de derivación son muy bajos! ¡5.00005 mΩ es 5.00005 mili-ohmios, o 0.00500005 ohmios! Para lograr estas bajas resistencias, las resistencias de derivación de amperímetro a menudo tienen que estar hechas a medida de alambre de diámetro relativamente grande o piezas de metal sólido.

 

Una cosa a tener en cuenta al dimensionar resistencias de derivación de amperímetro es el factor de disipación de potencia. A diferencia del voltímetro, las resistencias de rango de un amperímetro deben transportar grandes cantidades de corriente. Si esas resistencias de derivación no tienen el tamaño adecuado, pueden sobrecalentarse y sufrir daños, o al menos perder precisión debido al sobrecalentamiento. Para el medidor de ejemplo anterior, las disipaciones de potencia en la indicación de escala completa son (las líneas de doble ondulación representan “aproximadamente igual a” en matemáticas):

 

power dissipations at full scale indication

 

Una resistencia de 1/8 vatios funcionaría bien para R 4 , una resistencia de 1/2 vatios sería suficiente para R 3 y 5 vatios para R 2 (aunque las resistencias tienden a mantener su precisión a largo plazo mejor si no se operan cerca de su disipación de potencia nominal, por lo que es posible que desee sobrevalorar las resistencias R 2 y R 3 ), pero las resistencias de precisión de 50 vatios son componentes realmente raros y caros. Es posible que se deba construir una resistencia personalizada hecha de metal o alambre grueso para R 1 para cumplir con los requisitos de baja resistencia y alta potencia.

 

A veces, las resistencias de derivación se usan junto con voltímetros de alta resistencia de entrada para medir la corriente. En estos casos, la corriente a través del movimiento del voltímetro es lo suficientemente pequeña como para considerarse insignificante, y la resistencia de derivación puede dimensionarse de acuerdo con la cantidad de voltios o milivoltios de caída que se producirá por amperio de corriente:

 

per amp of current

 

Si, por ejemplo, la resistencia de derivación en el circuito anterior tuviera un tamaño exacto de 1 Ω, habría una caída de 1 voltio por cada amperio de corriente a través de él. La indicación del voltímetro podría entonces tomarse como una indicación directa de la corriente a través de la derivación. Para medir corrientes muy pequeñas, se podrían usar valores más altos de resistencia de derivación para generar más caída de voltaje por unidad de corriente dada, extendiendo así el rango utilizable del medidor (voltio) en cantidades más bajas de corriente. El uso de voltímetros junto con resistencias de derivación de bajo valor para la medición de corriente es algo que se ve comúnmente en aplicaciones industriales.

 

Uso de una resistencia de derivación y un voltímetro en lugar de un amperímetro

 

El uso de una resistencia de derivación junto con un voltímetro para medir corriente puede ser un truco útil para simplificar la tarea de mediciones frecuentes de corriente en un circuito. Normalmente, para medir la corriente a través de un circuito con un amperímetro, el circuito tendría que romperse (interrumpirse) y el amperímetro insertarse entre los extremos del cable separado, de esta manera:

 

shunt resistor

 

Si tenemos un circuito donde la corriente debe medirse con frecuencia, o simplemente nos gustaría hacer que el proceso de medición de corriente sea más conveniente, se podría colocar una resistencia de derivación entre esos puntos y dejarla allí permanentemente, tomando lecturas de corriente con un voltímetro según sea necesario sin interrumpir la continuidad en el circuito:

 

shunt resistor

 

Por supuesto, se debe tener cuidado al dimensionar la resistencia de derivación lo suficientemente baja como para que no afecte negativamente el funcionamiento normal del circuito, pero esto generalmente no es difícil de hacer. Esta técnica también podría ser útil en el análisis de circuitos de computadora, donde podríamos querer que la computadora muestre corriente a través de un circuito en términos de voltaje (con SPICE, esto nos permitiría evitar la idiosincrasia de leer valores de corriente negativos): [19459007 ]
 

shunt resistor example

 

circuito de ejemplo de resistencia de derivación v1 1 0 rshunt 1 2 1 rload 2 0 15k .dc v1 12 12 1 .print dc v (1,2) .end 

 

v1 v (1,2) 1.200E + 01 7.999E-04 

 

Interpretaríamos la lectura de voltaje a través de la resistencia de derivación (entre los nodos de circuito 1 y 2 en la SPICE simulation ) directamente como amperios, con 7.999E-04 siendo 0.7999 mA, o 799.9 µA. Idealmente, 12 voltios aplicados directamente a través de 15 kΩ nos darían exactamente 0,8 mA, pero la resistencia de la derivación disminuye esa corriente solo un poco (como lo haría en la vida real). Sin embargo, un error tan pequeño generalmente se encuentra dentro de los límites aceptables de precisión para una simulación o un circuito real, por lo que las resistencias de derivación se pueden usar en todas las aplicaciones menos exigentes para una medición de corriente precisa.

 

REVISIÓN:

 

     

  • Los rangos de amperímetro se crean al agregar resistencias paralelas de “derivación” al circuito de movimiento, proporcionando una división de corriente precisa.
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  • Las resistencias de derivación pueden tener disipaciones de alta potencia, ¡así que tenga cuidado al elegir piezas para tales medidores!
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  • Las resistencias de derivación pueden usarse junto con voltímetros de alta resistencia, así como movimientos de amperímetro de baja resistencia, produciendo caídas de voltaje precisas para cantidades dadas de corriente. Las resistencias de derivación deben seleccionarse con el valor de resistencia más bajo posible para minimizar su impacto en el circuito bajo prueba.
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