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Impacto del voltímetro en el circuito medido

 

Cada medidor impacta el circuito que está midiendo hasta cierto punto, al igual que cualquier medidor de presión de los neumáticos cambia la presión de los neumáticos ligeramente mientras se deja salir algo de aire para operar el medidor. Si bien es inevitable cierto impacto, se puede minimizar mediante un buen diseño del medidor.

 

Circuito divisor de voltaje

 

Dado que los voltímetros siempre están conectados en paralelo con el componente o componentes bajo prueba, cualquier corriente a través del voltímetro contribuirá a la corriente general en el circuito probado, lo que podría afectar el voltaje que se está midiendo. Un voltímetro perfecto tiene una resistencia infinita, por lo que no consume corriente del circuito bajo prueba. Sin embargo, los voltímetros perfectos solo existen en las páginas de los libros de texto, ¡no en la vida real! Tome el siguiente circuito divisor de voltaje como un ejemplo extremo de cómo un voltímetro realista podría afectar el circuito que está midiendo:

 

voltage divider circuit

 

Sin un voltímetro conectado al circuito, debe haber exactamente 12 voltios en cada resistencia de 250 MΩ en el circuito en serie, las dos resistencias de igual valor dividiendo el voltaje total (24 voltios) exactamente a la mitad . Sin embargo, si el voltímetro en cuestión tiene una resistencia de cable a cable de 10 MΩ (una cantidad común para un voltímetro digital moderno), su resistencia creará un subcircuito paralelo con la resistencia inferior del divisor cuando esté conectado:

 

parallel subcircuit with lower resistor devider circuit

 

Esto reduce efectivamente la resistencia más baja de 250 MΩ a 9.615 MΩ (250 MΩ y 10 MΩ en paralelo), alterando drásticamente las caídas de voltaje en el circuito. La resistencia inferior ahora tendrá mucho menos voltaje a través de ella que antes, y la resistencia superior mucho más.

 

lower resistor circuit

 

Divisor de voltaje medido

 

Un divisor de voltaje con valores de resistencia de 250 MΩ y 9.615 MΩ dividirá 24 voltios en porciones de 23.1111 voltios y 0.8889 voltios, respectivamente. Dado que el voltímetro es parte de esa resistencia de 9.615 MΩ, eso es lo que indicará: 0.8889 voltios.

 

Ahora, el voltímetro solo puede indicar el voltaje al que está conectado. No tiene forma de “saber” que había un potencial de 12 voltios caídos en la resistencia inferior de 250 MΩ antes de que se conectara a través de ella. El acto mismo de conectar el voltímetro al circuito lo hace parte del circuito, y la resistencia del voltímetro altera la relación de resistencia del circuito divisor de voltaje, lo que afecta el voltaje que se está midiendo.

 

¿Cómo funciona un voltímetro?

 

Imagine usar un medidor de presión de neumáticos que requiera un volumen de aire tan grande para operar que desinfle cualquier neumático al que esté conectado. La cantidad de aire consumido por el manómetro en el acto de medición es análogo a la corriente tomada por el movimiento del voltímetro para mover la aguja. Cuanto menos aire requiera un manómetro para operar, menos desinflará la llanta bajo prueba. Cuanto menos corriente extraiga un voltímetro para accionar la aguja, menos cargará el circuito bajo prueba.

 

Este efecto se denomina carga , y está presente hasta cierto punto en cada caso de uso del voltímetro. El escenario que se muestra aquí es el peor de los casos, con una resistencia de voltímetro sustancialmente menor que las resistencias de las resistencias divisorias. Pero siempre habrá algún grado de carga, lo que hará que el medidor indique menos del voltaje verdadero sin medidor conectado. Obviamente, cuanto mayor sea la resistencia del voltímetro, menor será la carga del circuito bajo prueba, y es por eso que un voltímetro ideal tiene una resistencia interna infinita.

 

Los voltímetros con movimientos electromecánicos generalmente reciben clasificaciones en “ohmios por voltio” de rango para designar la cantidad de impacto del circuito creado por el consumo de corriente del movimiento. Debido a que dichos medidores se basan en diferentes valores de resistencias multiplicadoras para proporcionar diferentes rangos de medición, sus resistencias de cable a cable cambiarán según el rango en el que estén configurados. Los voltímetros digitales, por otro lado, a menudo exhiben una resistencia constante a través de sus cables de prueba independientemente de la configuración del rango (¡pero no siempre!), Y como tales generalmente se clasifican simplemente en ohmios de resistencia de entrada, en lugar de la sensibilidad de “ohmios por voltio”.

 

Lo que significa “ohmios por voltio” es cuántos ohmios de resistencia de cable a cable por cada voltio de ajuste de rango en el interruptor selector. Tomemos nuestro voltímetro de ejemplo de la última sección como ejemplo:

 

voltmeter example

 

En la escala de 1000 voltios, la resistencia total es de 1 MΩ (999.5 kΩ + 500Ω), dando 1,000,000 Ω por 1000 voltios de rango, o 1000 ohmios por voltio (1 kΩ / V). Esta clasificación de “sensibilidad” de ohmios por voltio permanece constante para cualquier rango de este medidor:

 

ohms per volt sensitivity rating

 

El astuto observador notará que la clasificación de ohmios por voltio de cualquier medidor está determinada por un solo factor: la corriente a gran escala del movimiento, en este caso 1 mA. “Ohmios por voltio” es el recíproco matemático de “voltios por ohmio”, definido por la Ley de Ohm como corriente (I = E / R). En consecuencia, la corriente a escala completa del movimiento dicta la sensibilidad de Ω / voltio del medidor, independientemente de los rangos con los que el diseñador lo equipa mediante resistencias multiplicadoras. En este caso, la clasificación de corriente de escala completa del movimiento del medidor de 1 mA le da una sensibilidad de voltímetro de 1000 Ω / V, independientemente de cómo lo alcancemos con resistencias multiplicadoras.

 

Para minimizar la carga de un voltímetro en cualquier circuito, el diseñador debe tratar de minimizar el consumo de corriente de su movimiento. Esto se puede lograr rediseñando el movimiento en sí para obtener la máxima sensibilidad (se requiere menos corriente para la desviación a gran escala), pero la compensación aquí es típicamente la resistencia: un movimiento más sensible tiende a ser más frágil.

 

Otro enfoque es aumentar electrónicamente la corriente enviada al movimiento, de modo que se necesita extraer muy poca corriente del circuito bajo prueba. Este circuito electrónico especial se conoce como amplificador , y el voltímetro así construido es un voltímetro amplificado .

 

amplified voltmeter

 

El funcionamiento interno de un amplificador es demasiado complejo para ser discutido en este punto, pero basta con decir que el circuito permite que el voltaje medido controle cuánta corriente de batería se envía al movimiento del medidor. Por lo tanto, las necesidades actuales del movimiento son suministradas por una batería interna al voltímetro y no por el circuito bajo prueba. El amplificador todavía carga el circuito bajo prueba en algún grado, pero generalmente cientos o miles de veces menos que el movimiento del medidor por sí solo.

 

Voltímetros de tubo de vacío (VTVM)

 

Antes de la llegada de los semiconductores conocidos como ” transistores de efecto de campo “, los tubos de vacío se usaban como dispositivos de amplificación para realizar este refuerzo. Tales [voltímetros de tubo de vacío , o (VTVMs) alguna vez fueron instrumentos muy populares para pruebas y mediciones electrónicas. ¡Aquí hay una fotografía de un VTVM muy antiguo, con el tubo de vacío expuesto!

 

old vacuum tube voltmeters

 

Ahora, los circuitos amplificadores de transistores de estado sólido cumplen la misma tarea en los diseños de medidores digitales. Si bien este enfoque (de usar un amplificador para aumentar la corriente de señal medida) funciona bien, complica enormemente el diseño del medidor, lo que hace casi imposible que el estudiante principiante de electrónica comprenda su funcionamiento interno.

 

Una solución final e ingeniosa para el problema de la carga del voltímetro es la del instrumento potenciométrico o de equilibrio nulo . No requiere circuitos avanzados (electrónicos) o dispositivos sensibles como transistores o tubos de vacío, pero requiere una mayor participación y habilidad de los técnicos. En un instrumento potenciométrico, se compara una fuente de voltaje ajustable de precisión con el voltaje medido, y se usa un dispositivo sensible llamado detector nulo para indicar cuándo los dos voltajes son iguales. En algunos diseños de circuitos, se utiliza un potenciómetro de precisión para proporcionar el voltaje ajustable, de ahí la etiqueta potenciométrica . Cuando los voltajes son iguales, habrá cero corriente extraída del circuito bajo prueba y, por lo tanto, el voltaje medido no se verá afectado. Es fácil mostrar cómo funciona esto con nuestro último ejemplo, el circuito divisor de voltaje de alta resistencia:

 

potentiometer voltage measurement

 

Detector nulo

 

El “detector nulo” es un dispositivo sensible capaz de indicar la presencia de voltajes muy pequeños. Si se usa un movimiento del medidor electromecánico como detector nulo, tendrá una aguja centrada en un resorte que puede desviarse en cualquier dirección para ser útil para indicar un voltaje de cualquier polaridad. Como el propósito de un detector nulo es indicar con precisión una condición de voltaje cero , en lugar de indicar cualquier cantidad específica (distinta de cero) como lo haría un voltímetro normal, la escala del instrumento utilizado es irrelevante. Los detectores nulos generalmente están diseñados para ser lo más sensibles posible a fin de indicar con mayor precisión una condición de “nulo” o “equilibrio” (voltaje cero).

 

Un tipo extremadamente simple de detector nulo es un conjunto de auriculares de audio, los altavoces dentro actúan como una especie de movimiento del medidor. Cuando se aplica inicialmente un voltaje de CC a un altavoz, la corriente resultante a través de él moverá el cono del altavoz y producirá un “clic” audible. Se escuchará otro sonido de “clic” cuando se desconecte la fuente de CC. Sobre la base de este principio, un detector nulo sensible puede estar hecho de nada más que auriculares y un interruptor de contacto momentáneo:

 

headphones and momentary contact switch

 

Si se usa un juego de auriculares de “8 ohmios para este propósito, su sensibilidad puede aumentar considerablemente conectándolo a un dispositivo llamado transformador . El transformador explota los principios del electromagnetismo para “transformar” los niveles de voltaje y corriente de los pulsos de energía eléctrica. En este caso, el tipo de transformador utilizado es un transformador reductor , y convierte los pulsos de baja corriente (creados al cerrar y abrir el interruptor de botón pulsador mientras está conectado a una pequeña fuente de voltaje) en corriente más alta pulsos para conducir de manera más eficiente los conos de los altavoces dentro de los auriculares. Un transformador de “salida de audio” con una relación de impedancia de 1000: 8 es ideal para este propósito. El transformador también aumenta la sensibilidad del detector al acumular la energía de una señal de baja corriente en un campo magnético para su liberación repentina en los altavoces de los auriculares cuando se abre el interruptor. Por lo tanto, producirá “clics” más fuertes para detectar señales más pequeñas:

 

switch opened headphone speakers

 

Conectado al circuito potenciométrico como un detector nulo, la disposición del interruptor / transformador / auriculares se utiliza como tal:

 

switch transformer headphone arrangement

 

El propósito de cualquier detector nulo es actuar como una balanza de laboratorio, indicando cuándo los dos voltajes son iguales (ausencia de voltaje entre los puntos 1 y 2) y nada más. La balanza de balanza de laboratorio no pesa nada en realidad; más bien, simplemente indica igualdad entre la masa desconocida y la pila de masas estándar (calibradas).

 

laboratory scale balance beam

 

Del mismo modo, el detector nulo simplemente indica cuándo el voltaje entre los puntos 1 y 2 es igual, lo que (de acuerdo con Ley de voltaje de Kirchhoff ) será cuando la fuente de voltaje ajustable (el símbolo de la batería con una flecha diagonal pasar por él) es exactamente igual en voltaje a la caída a través de R2.

 

Para operar este instrumento, el técnico ajustará manualmente la salida de la fuente de voltaje de precisión hasta que el detector nulo indique exactamente cero (si usa auriculares de audio como detector nulo, el técnico presionará y soltará repetidamente el interruptor de botón, escuchando silencio para indicar que el circuito estaba “equilibrado”), y luego observe el voltaje de la fuente como lo indica un voltímetro conectado a través de la fuente de voltaje de precisión, siendo esa indicación representativa del voltaje a través de la resistencia inferior de 250 MΩ:

 

voltage across the lower resistor

 

El voltímetro utilizado para medir directamente la fuente de precisión no necesita tener una sensibilidad Ω / V extremadamente alta, porque la fuente suministrará toda la corriente que necesita para funcionar. Mientras haya cero voltaje en el detector nulo, habrá cero corriente entre los puntos 1 y 2, lo que equivale a que no se cargue el circuito divisor bajo prueba.

 

Vale la pena reiterar el hecho de que este método, ejecutado correctamente, coloca carga casi nula en el circuito medido. Idealmente, no coloca absolutamente ninguna carga en el circuito probado, pero para lograr este objetivo ideal el detector nulo tendría que tener voltaje absolutamente cero a través de él , lo que requeriría un medidor nulo infinitamente sensible y un equilibrio perfecto de voltaje de la fuente de voltaje ajustable. Sin embargo, a pesar de su incapacidad práctica para lograr una carga cero absoluta, un circuito potenciométrico sigue siendo una técnica excelente para medir el voltaje en circuitos de alta resistencia. Y a diferencia de la solución de amplificador electrónico, que resuelve el problema con tecnología avanzada, el método potenciométrico logra una solución hipotéticamente perfecta al explotar una ley fundamental de la electricidad (KVL).

 

REVISIÓN:

 

     

  • Un voltímetro ideal tiene resistencia infinita.
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  • Una resistencia interna demasiado baja en un voltímetro afectará negativamente al circuito que se está midiendo.
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  • Los voltímetros de tubo de vacío (VTVM), los voltímetros de transistores y los circuitos potenciométricos son todos medios para minimizar la carga colocada en un circuito medido. De estos métodos, la técnica potenciométrica (“equilibrio nulo”) es la única capaz de colocar cero carga en el circuito.
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  • Un detector nulo es un dispositivo construido para la máxima sensibilidad a pequeños voltajes o corrientes. Se utiliza en circuitos de voltímetro potenciométrico para indicar la ausencia de voltaje entre dos puntos, lo que indica una condición de equilibrio entre una fuente de voltaje ajustable y el voltaje que se está midiendo.
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