Diseño de amperímetro

Los amperímetros miden la corriente eléctrica

Un medidor diseñado para medir corriente eléctrica se llama popularmente "amperímetro" porque la unidad de medida es "amperios".

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

Diseño de un amperímetro

Tomando el mismo movimiento del medidor que en el ejemplo del voltímetro, podemos ver que sería un instrumento muy limitado por sí mismo, la desviación de escala completa ocurre a solo 1 mA:

Como es el caso de extender la capacidad de medición de voltaje de un movimiento de medidor, tendríamos que volver a etiquetar correspondientemente 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 de escala completa de 5 amperios usando el mismo movimiento del medidor que antes (con un rango intrínseco de escala completa de solo 1 mA), tendríamos que volver a etiquetar el movimiento. escala 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 representarlo gráficamente en la cara de movimiento del medidor.

Usando 5 amperios como un rango extendido para nuestro movimiento de muestra, determinemos la cantidad de resistencia en paralelo necesaria para "derivar" o desviar la mayor parte de la corriente de modo que solo 1 mA pase por el movimiento con una corriente total de 5 A:

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

Sabiendo que el circuito formado por el movimiento y la derivación es de configuración en paralelo, sabemos que el voltaje a través del movimiento, derivación y cables de prueba (total) debe ser el mismo:

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 de derivación se suman en una configuración en paralelo:

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

Por supuesto, podríamos haber calculado el mismo valor de poco más de 100 mili-ohmios (100 mΩ) para la derivación calculando la resistencia total (R =E / I; 0.5 voltios / 5 amperios =100 mΩ exactamente), luego trabajando en paralelo fórmula de resistencia al revés, pero la aritmética habría sido más desafiante:

Un amperímetro en diseños reales

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

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.

Tenga en cuenta también con este medidor en particular que la aguja se centra en 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).

Aumento 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 incorporando varias resistencias en derivación conmutadas con un interruptor multipolar:

Observe que las resistencias de rango están conectadas a través del interruptor para que estén en paralelo con el movimiento del medidor, en lugar de en serie como estaba en el diseño del voltímetro. El interruptor de cinco posiciones hace contacto solo con una resistencia a la vez, por supuesto. Cada resistencia tiene el tamaño correspondiente para un rango de escala completa diferente, según 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, una clasificación de deflexión de escala completa de movimiento y una resistencia de movimiento conocidas. Para un amperímetro con rangos de 100 mA, 1 A, 10 A y 100 A, las resistencias en derivación serían las siguientes:

¡Tenga en cuenta que estos valores de resistencia en 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 fabricarse a medida con alambre de diámetro relativamente grande o piezas sólidas de metal.

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 dobles onduladas representan "aproximadamente igual a" en matemáticas):

Una resistencia de 1/8 vatio funcionaría bien para R ₄ , una resistencia de 1/2 vatio sería suficiente para R ₃ y 5 vatios para R ₂ (aunque las resistencias tienden a mantener mejor su precisión a largo plazo 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 raros y costosos. Es posible que deba construirse una resistencia personalizada hecha de material metálico o alambre grueso para R ₁ para cumplir con los requisitos de baja resistencia y alta potencia nominal.

A veces, las resistencias en derivación se utilizan 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 en derivación se puede dimensionar de acuerdo con la cantidad de voltios o milivoltios de caída que se producirán por amperio de corriente:

Si, por ejemplo, la resistencia de derivación en el circuito anterior tuviera un tamaño exacto de 1 Ω, se caería 1 voltio a través de ella por cada amperio de corriente que la atraviese. La indicación del voltímetro podría 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 en derivación para generar más caída de voltaje por unidad de corriente dada, extendiendo así el rango utilizable del medidor (voltios) a cantidades más bajas de corriente. El uso de voltímetros junto con resistencias en 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 en derivación junto con un voltímetro para medir la corriente puede ser un truco útil para simplificar la tarea de realizar 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 debe insertarse entre los extremos separados del cable, así:

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

Por supuesto, se debe tener cuidado al dimensionar la resistencia de derivación lo suficientemente bajo 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 la corriente a través de un circuito en términos de voltaje (con SPICE, esto nos permitiría evitar la idiosincrasia de leer valores de corriente negativos):

 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 simulación SPICE) directamente como amperios, siendo 7.999E-04 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 poquito (como lo haría en la vida real).

Sin embargo, un error tan pequeño generalmente está 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, excepto en las más exigentes, para una medición de corriente precisa.

REVISAR:

• Los rangos de amperímetro se crean agregando resistencias de "derivación" paralelas al circuito de movimiento, lo que proporciona una división de corriente precisa.
• Las resistencias de derivación pueden tener disipaciones de potencia elevadas, ¡así que tenga cuidado al elegir piezas para dichos medidores!
• Las resistencias de derivación se pueden usar junto con voltímetros de alta resistencia, así como con movimientos de amperímetro de baja resistencia, lo que produce caídas de voltaje precisas para cantidades determinadas de corriente. Las resistencias de derivación deben seleccionarse para un valor de resistencia lo más bajo posible para minimizar su impacto en el circuito bajo prueba.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de diseño de amperímetro