Voltímetro potenciométrico

PIEZAS Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro, una vuelta, 10 kΩ, cono lineal (catálogo de Radio Shack # 271-1715)
• Dos resistencias de alto valor (al menos 1 MΩ cada una)
• Detector de voltaje sensible (del experimento anterior)
• Voltímetro analógico (del experimento anterior)

El valor del potenciómetro no es crítico:cualquier valor entre 1 kΩ y 100 kΩ es aceptable.

Si ha construido el "potenciómetro de precisión" descrito anteriormente en este capítulo, se recomienda que lo utilice en este experimento.

Asimismo, los valores reales de las resistencias no son críticos. En este experimento en particular, cuanto mayor sea el valor, mejores serán los resultados. Tampoco es necesario que tengan exactamente el mismo valor.

Si aún no ha construido el detector de voltaje sensible, se recomienda que construya uno antes de continuar con este experimento.

Es un equipo de prueba muy útil, pero simple, que no debe faltar. Puede usar un multímetro digital configurado en el rango de “milivoltios CC” (CC mV) en lugar de un detector de voltaje, pero el detector de voltaje basado en auriculares es más apropiado porque demuestra cómo puede realizar mediciones precisas de voltaje sin utilizando equipos de medición costosos o avanzados. Recomiendo usar su multímetro casero por la misma razón, aunque cualquier voltímetro será suficiente para este experimento.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 1, capítulo 8:"Circuitos de medición de CC"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Para describir la carga del voltímetro:sus causas y su solución
• Para ilustrar cómo usar un potenciómetro como fuente de voltaje variable
• Para ilustrar el método potenciométrico de medición de voltaje

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

Construya el circuito divisor de voltaje de dos resistencias que se muestra a la izquierda del diagrama esquemático y de la ilustración.

Si las dos resistencias de alto valor tienen el mismo valor, el voltaje de la batería debe dividirse por la mitad, con aproximadamente 3 voltios caídos a través de cada resistencia.

Mida el voltaje de la batería directamente con un voltímetro y luego mida la caída de voltaje de cada resistor.

¿Notas algo inusual en las lecturas del voltímetro? Normalmente, las caídas de voltaje en serie se suman para igualar el voltaje total aplicado, pero en este caso, notará una discrepancia seria.

¿Es falsa la ley de voltaje de Kirchhoff? ¿Es esta una excepción a una de las leyes más fundamentales de los circuitos eléctricos?

¡No! Lo que está sucediendo es esto:cuando conecta un voltímetro a través de cualquiera de las resistencias, el voltímetro en sí altera el circuito para que el voltaje no sea el mismo que sin un medidor conectado.

Me gusta usar la analogía de un manómetro de aire que se usa para verificar la presión de un neumático.

Cuando se conecta un medidor a la válvula de llenado de la llanta, libera algo de aire de la llanta.

Esto afecta la presión en la llanta, por lo que el manómetro indica una presión ligeramente más baja que la que había en la llanta antes de conectar el manómetro.

En otras palabras, el acto de medir la presión de los neumáticos altera la presión de los neumáticos. Sin embargo, es de esperar que se libere tan poco aire del neumático durante el acto de medición que la reducción de presión sea insignificante.

Los voltímetros impactan de manera similar el voltaje que miden, al desviar algo de corriente alrededor del componente cuya caída de voltaje se está midiendo.

Esto afecta la caída de voltaje, pero el efecto es tan leve que normalmente no se nota.

En este circuito, sin embargo, el efecto es muy pronunciado. ¿Por qué es esto? Intente reemplazar las dos resistencias de alto valor con dos de valor de 100 kΩ cada una y repita el experimento.

Reemplace esas resistencias con dos unidades de 10 KΩ y repita. ¿Qué observa acerca de las lecturas de voltaje con resistencias de menor valor?

¿Qué le dice esto sobre el "impacto" del voltímetro en un circuito en relación con la resistencia de ese circuito?

Reemplace las resistencias de bajo valor con las resistencias originales de alto valor (> =1 MΩ) antes de continuar.

Intente medir el voltaje en las dos resistencias de alto valor, una a la vez, con un voltímetro digital en lugar de un voltímetro analógico.

¿Qué notas sobre las lecturas del medidor digital en comparación con las del medidor analógico?

Los voltímetros digitales suelen tener una mayor resistencia interna (sonda a sonda), lo que significa que consumen menos corriente que un voltímetro analógico comparable cuando miden la misma fuente de voltaje.

Un voltímetro ideal extraería corriente cero del circuito bajo prueba y, por lo tanto, no sufriría problemas de "impacto" de voltaje.

Si tiene dos voltímetros, intente esto:conecte un voltímetro a través de una resistencia y el otro voltímetro a través de la otra resistencia.

Las lecturas de voltaje que obtenga se sumarán al voltaje total esta vez, sin importar los valores de la resistencia, aunque sean diferentes de las lecturas obtenidas de un solo medidor usado dos veces.

Sin embargo, desafortunadamente, es poco probable que las lecturas de voltaje obtenidas de esta manera sean iguales a las caídas de voltaje reales sin medidores conectados, por lo que no es una solución práctica al problema.

¿Hay alguna forma de hacer un voltímetro "perfecto":uno que tenga una resistencia infinita y no extraiga corriente del circuito bajo prueba?

Los voltímetros de laboratorio modernos se acercan a este objetivo mediante el uso de circuitos "amplificadores" de semiconductores, pero este método es demasiado avanzado tecnológicamente para que el estudiante o aficionado lo duplique.

Una técnica mucho más simple y mucho más antigua se llama potenciométrica o saldo nulo método.

Esto implica el uso de una fuente de voltaje ajustable para "equilibrar" el voltaje medido.

Cuando los dos voltajes son iguales, como lo indica un detector nulo muy sensible , la fuente de voltaje ajustable se mide con un voltímetro ordinario.

Debido a que las dos fuentes de voltaje son iguales entre sí, medir la fuente ajustable es lo mismo que medir a través del circuito de prueba, excepto que no hay error de "impacto" porque la fuente ajustable proporciona cualquier corriente que necesite el voltímetro. En consecuencia, el circuito bajo prueba no se ve afectado, lo que permite medir su verdadera caída de voltaje.

Examine el siguiente esquema para ver cómo se implementa el método del voltímetro potenciométrico:

El símbolo del círculo con la palabra "nulo" escrita en el interior representa el detector nulo.

Puede ser cualquier indicador de voltaje o movimiento del medidor arbitrariamente sensible.

Su único propósito en este circuito es indicar cuándo hay cero voltaje:cuando la fuente de voltaje ajustable (potenciómetro) es exactamente igual a la caída de voltaje en el circuito bajo prueba.

Cuanto más sensible sea este detector nulo, con mayor precisión se podrá ajustar la fuente ajustable para igualar el voltaje bajo prueba, y con mayor precisión se podrá medir ese voltaje de prueba.

Construya este circuito como se muestra en la ilustración y pruebe su funcionamiento midiendo la caída de voltaje en una de las resistencias de alto valor en el circuito de prueba.

Puede ser más fácil usar un multímetro normal como detector nulo al principio, hasta que se familiarice con el proceso de ajustar el potenciómetro para una indicación "nula", y luego lea el voltímetro conectado a través del potenciómetro.

Si está utilizando el detector de voltaje basado en auriculares como su medidor nulo, deberá establecer y desconectar de manera intermitente el contacto con el circuito bajo prueba y escuchar los sonidos de "clic".

Haga esto asegurando firmemente una de las sondas de prueba al circuito de prueba y tocando momentáneamente la otra sonda de prueba al otro punto en el circuito de prueba una y otra vez, escuchando sonidos en los auriculares que indiquen una diferencia de voltaje entre el circuito de prueba y el potenciómetro.

Ajuste el potenciómetro hasta que no se escuche ningún clic en los auriculares. Esto indica una condición "nula" o "equilibrada", y puede leer la indicación del voltímetro para ver cuánto voltaje cae a través de la resistencia del circuito de prueba.

Desafortunadamente, el detector nulo basado en auriculares no proporciona ninguna indicación de si el voltaje del potenciómetro es mayor que o menos de el voltaje del circuito de prueba, por lo que tendrá que escuchar disminución Intensidad del "clic" mientras gira el potenciómetro para determinar si necesita ajustar el voltaje más alto o más bajo.

Puede encontrar que un potenciómetro de una sola vuelta ("3/4 de vuelta") es un dispositivo de ajuste demasiado tosco para "anular" con precisión el circuito de medición.

Se puede usar un potenciómetro de múltiples vueltas en lugar de la unidad de una sola vuelta para una mayor precisión de ajuste, o se puede usar el circuito de "potenciómetro de precisión" descrito en un experimento anterior.

Antes del advenimiento de la tecnología de voltímetro amplificado, el método potenciométrico era el único método para realizar mediciones de voltaje de alta precisión.

Incluso ahora, los laboratorios de estándares eléctricos utilizan esta técnica junto con la última tecnología de medidores para minimizar los errores de "impacto" del medidor y maximizar la precisión de la medición.

Aunque el método potenciométrico requiere más habilidad para usar que simplemente conectar un voltímetro digital moderno a través de un componente, y se considera obsoleto para todas las aplicaciones de medición, excepto para las más precisas, sigue siendo un proceso de aprendizaje valioso para el nuevo estudiante de electrónica, y una herramienta útil. técnica para el aficionado que puede carecer de costosos instrumentos en el laboratorio de su casa.

SIMULACIÓN DE COMPUTADORA

Esquema con números de nodo SPICE:

Netlist (haga un archivo de texto que contenga el siguiente texto, literalmente):

 Voltímetro potenciométrico v1 1 0 dc 6 v2 3 0 r1 1 2 1meg r2 2 0 1meg rnull 2 ​​3 10k rmeter 3 0 50k .dc v2 0 6 0.5 .print dc v (2,0) v (2,3) v (3,0) .end 

Esta simulación SPICE muestra el voltaje real en R ₂ del circuito de prueba, el voltaje del detector nulo y el voltaje a través de la fuente de voltaje ajustable, ya que esa fuente se ajusta de 0 voltios a 6 voltios en pasos de 0.5 voltios.

En el resultado de esta simulación, notará que el voltaje en R ₂ es impacta significativamente cuando el circuito de medición está desequilibrado, volviendo a su voltaje real solo cuando hay voltaje prácticamente cero en el detector nulo.

En ese punto, por supuesto, la fuente de voltaje ajustable tiene un valor de 3.000 voltios:exactamente igual a la caída de voltaje del circuito de prueba (no afectado).

¿Cuál es la lección que se puede aprender de esta simulación? Que un voltímetro potenciométrico evita impactar el circuito de prueba solo cuando está en una condición de perfecto equilibrio (“nulo”) con el circuito de prueba!

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de metrología de CC