Impacto del voltímetro en el circuito medido

Cada metro impacta el circuito que está midiendo hasta cierto punto, al igual que cualquier medidor de presión de neumáticos cambia ligeramente la presión medida de los neumáticos a medida que sale algo de aire para operar el medidor. Si bien cierto impacto es inevitable, 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 los componentes bajo prueba, cualquier corriente a través del voltímetro contribuirá a la corriente total en el circuito probado, afectando potencialmente el voltaje que se está midiendo. Un voltímetro perfecto tiene una resistencia infinita, por lo que no extrae 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 de su medición:

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 se conecte:

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 que antes, y la resistencia superior mucho más.

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 a través del cual está conectado. No tiene forma de "saber" que había un potencial de 12 voltios caído a través de la resistencia inferior de 250 MΩ antes estaba conectado a través de él. El solo hecho de conectar el voltímetro al circuito lo convierte en parte del circuito, y la propia resistencia del voltímetro altera la relación de resistencia del circuito divisor de voltaje, lo que afecta el voltaje que se mide.

¿Cómo funciona un voltímetro?

Imagínese usar un manómetro de presión de llantas que requiriera un volumen de aire tan grande para operar que desinflaría cualquier llanta al que estuviera conectada. La cantidad de aire consumida por el manómetro en el acto de medición es análoga a la corriente que toma el movimiento del voltímetro para mover la aguja. Cuanto menos aire requiera un manómetro para funcionar, menos desinflará el neumático bajo prueba. Cuanta menos corriente extraiga un voltímetro para accionar la aguja, menos cargará el circuito bajo prueba.

Este efecto se llama carga , y está presente hasta cierto punto en todos los casos de uso de voltímetro. El escenario que se muestra aquí es el peor de los casos, con una resistencia del voltímetro sustancialmente más baja que las resistencias de las resistencias divisoras. Pero siempre habrá algún grado de carga, lo que hará que el medidor indique un voltaje menor que el verdadero sin ningún medidor conectado. Obviamente, cuanto mayor es la resistencia del voltímetro, menor es 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 estos medidores se basan en diferentes valores de resistencias multiplicadoras para dar 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 del ajuste de rango (¡pero no siempre!), Y como tales, generalmente se clasifican simplemente en ohmios de resistencia de entrada, en lugar de 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:

En la escala de 1000 voltios, la resistencia total es 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:

El observador astuto notará que la clasificación de ohmios por voltio de cualquier medidor está determinada por un solo factor:la corriente de escala completa del movimiento, en este caso 1 mA. "Ohmios por voltio" es el recíproco matemático de "voltios por ohmio", que la ley de Ohm define como corriente (I =E / R). En consecuencia, la corriente a gran escala del movimiento dicta la sensibilidad Ω / voltio del medidor, independientemente de los rangos con los que el diseñador lo equipa a través de 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 clasifiquemos con resistencias multiplicadoras.

Para minimizar la carga de un voltímetro en cualquier circuito, el diseñador debe buscar 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 robustez:un movimiento más sensible tiende a ser más frágil.

Otro enfoque es aumentar electrónicamente la corriente enviada al movimiento, de modo que se necesite 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 .

El funcionamiento interno de un amplificador es demasiado complejo para discutirlo en este punto, pero basta con decir que el circuito permite que el voltaje medido controle cuánta corriente de la batería se envía al movimiento del medidor. Por lo tanto, las necesidades de corriente del movimiento son suministradas por una batería interna al voltímetro y no por el circuito bajo prueba. El amplificador aún carga el circuito bajo prueba hasta cierto punto, pero generalmente cientos o miles de veces menos de lo que lo haría 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 amplificadores para realizar este impulso. Tales voltímetros de tubo de vacío o (VTVM) 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!

Ahora, los circuitos amplificadores de transistores de estado sólido realizan 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 que sea casi imposible para el estudiante principiante de electrónica comprender su funcionamiento interno.

Una solución final e ingeniosa al problema de la carga del voltímetro es la del potenciométrico o saldo nulo instrumento. 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, una fuente de voltaje ajustable de precisión se compara con el voltaje medido y un dispositivo sensible llamado detector nulo se utiliza para indicar cuando los dos voltajes son iguales.

En algunos diseños de circuitos, un potenciómetro de precisión se utiliza para proporcionar el voltaje ajustable, de ahí la etiqueta potenciométrica . Cuando los voltajes son iguales, no habrá corriente extraída del circuito bajo prueba y, por lo tanto, el voltaje medido no debería verse afectado. Es fácil mostrar cómo funciona esto con nuestro último ejemplo, el circuito divisor de voltaje de alta resistencia:

Detector nulo

El "detector nulo" es un dispositivo sensible capaz de indicar la presencia de voltajes muy pequeños. Si se utiliza un movimiento de medidor electromecánico como detector nulo, tendrá una aguja centrada en un resorte que puede desviarse en cualquier dirección para que sea útil para indicar un voltaje de cualquier polaridad. Como el propósito de un detector nulo es indicar con precisión una condición de cero voltaje, 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 par de auriculares de audio, los parlantes internos actúan como una especie de movimiento de 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 se puede hacer con nada más que auriculares y un interruptor de contacto momentáneo:

Si se utiliza un juego de auriculares de "8 ohmios" para este propósito, su sensibilidad puede aumentar considerablemente si se conecta 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 reductor transformador, y convierte los pulsos de baja corriente (creados al cerrar y abrir el interruptor de botón mientras está conectado a una pequeña fuente de voltaje) en pulsos de corriente más alta para impulsar 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:

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

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

Asimismo, el detector nulo simplemente indica cuándo el voltaje entre los puntos 1 y 2 es igual, que (según la Ley de Voltaje de Kirchhoff) será cuando la fuente de voltaje ajustable (el símbolo de la batería con una flecha diagonal que la atraviesa) sea exactamente igual en voltaje a la caída a través de R2.

Para operar este instrumento, el técnico ajustaría manualmente la salida de la fuente de voltaje de precisión hasta que el detector nulo indicara exactamente cero (si usa audífonos como el detector nulo, el técnico presionaría y soltaría repetidamente el interruptor de botón, escuchando el silencio para indicar que el circuito estaba "equilibrado"), y luego anote el voltaje de la fuente como lo indica un voltímetro conectado a través de la fuente de voltaje de precisión, esa indicación es representativa del voltaje a través de la resistencia inferior de 250 MΩ:

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. Siempre que haya voltaje cero en el detector nulo, habrá corriente cero entre los puntos 1 y 2, lo que equivale a que no haya carga en el circuito divisor bajo prueba.

Vale la pena reiterar el hecho de que este método, correctamente ejecutado, coloca carga casi nula sobre el circuito medido. Idealmente, no coloca absolutamente ninguna carga en el circuito probado, pero para lograr este objetivo ideal, el detector nulo debería 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 de cero absoluto, un circuito potenciométrico sigue siendo una técnica excelente para medir 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).

REVISAR:

• Un voltímetro ideal tiene una resistencia infinita.
• Una resistencia interna demasiado baja en un voltímetro afectará adversamente el circuito que se está midiendo.
• Los voltímetros de tubo de vacío (VTVM), los voltímetros de transistor y los circuitos potenciométricos son todos medios para minimizar la carga colocada en un circuito medido. De estos métodos, la técnica potenciométrica ("balance nulo") es la única capaz de colocar cero carga en el circuito.
• 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 mide.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de uso básico del voltímetro