Voltímetro Potenciométrico: Medición Precisa de Voltaje con Carga Mínima

Componentes y Materiales

• Dos baterías de 6 V
• Potenciómetro lineal de una vuelta, 10 kΩ (Radio Shack #271-1715)
• Dos resistencias de alto valor (≥1 MΩ cada una)
• Detector de voltaje sensible (del experimento anterior)
• Voltímetro analógico (del experimento anterior)

El valor del potenciómetro es flexible; cualquier valor entre 1 kΩ y 100 kΩ funcionará. Si has construido el potenciómetro de precisión descrito anteriormente en este capítulo, es ideal para este ejercicio. Del mismo modo, valores de resistencia mayores mejoran la precisión; no necesitan ser idénticos.

Si aún no has construido el detector de voltaje sensible, te recomendamos hacerlo primero. Un detector casero es económico y demuestra cómo realizar mediciones de voltaje precisas sin equipos costosos. Un multímetro digital en rango de milivoltios CC puede servir como sustituto, pero un detector basado en auriculares es preferible para fines de aprendizaje.

Referencias Cruzadas

Lessons In Electric Circuits, Volumen 1, Capítulo 8: "Circuitos de Medición CC"

Objetivos de Aprendizaje

• Comprender la carga del voltímetro: sus causas y cómo mitigarla
• Utilizar un potenciómetro como fuente de voltaje variable
• Aplicar el método potenciométrico (balance nulo) para medición precisa de voltaje

Diagrama Esquemático

Ilustración

Instrucciones

1. Ensambla el divisor de voltaje de dos resistencias mostrado en el lado izquierdo del esquema.

2. Si las resistencias de alto valor son iguales, la batería de 6 V debería dividirse en dos caídas de 3 V.

3. Mide el voltaje de la batería con un voltímetro, luego mide la caída a través de cada resistencia.

Probablemente notarás una discrepancia: la suma de las caídas individuales no es igual al voltaje total de la batería. Esto no viola la Ley de Voltaje de Kirchhoff; es un ejemplo clásico de carga del voltímetro.

Analogía: Un manómetro de neumáticos libera una pequeña cantidad de aire al conectarse, reduciendo ligeramente la presión. De igual forma, un voltímetro proporciona una ruta para la corriente que altera ligeramente el voltaje a través del componente que mide.

En este circuito el efecto es pronunciado porque las resistencias de prueba son de alto valor. Reemplázalas con unidades de 100 kΩ, luego con 10 kΩ, y observa cómo cambian las lecturas de voltaje. Una resistencia menor reduce el impacto de la carga, pero a costa de la precisión de la medición.

Intenta medir cada resistencia con un voltímetro digital en lugar de uno analógico. Los medidores digitales suelen tener una impedancia de entrada mayor (a menudo >10 MΩ), por lo que consumen menos corriente y producen lecturas más cercanas al voltaje real.

Para un enfoque más preciso, utiliza el método potenciométrico (balance nulo). Esta técnica equilibra el voltaje de prueba contra una fuente de voltaje ajustable (el potenciómetro) y usa un detector nulo altamente sensible para indicar el equilibrio. Una vez equilibrado, el voltaje del potenciómetro —leído con un voltímetro— es igual al voltaje de prueba, libre de errores de carga.

Circuito Voltímetro Potenciométrico

El círculo etiquetado "null" representa el detector nulo. Cualquier movimiento de medidor sensible o indicador de voltaje puede servir como detector; su función es únicamente señalar una diferencia de voltaje cero.

Construye el circuito como se ilustra y úsalo para medir la caída de voltaje a través de una de las resistencias de alto valor. Inicialmente, un multímetro regular puede funcionar como detector nulo mientras te familiarizas con el proceso. Si prefieres el detector basado en auriculares, haz contacto breve con cada punto de prueba y escucha el chasquido característico que se desvanece hasta el silencio en el equilibrio.

Nota: Un potenciómetro de una vuelta puede ser demasiado grueso para un nulado preciso. Considera una unidad de múltiples vueltas o el circuito de potenciómetro de precisión descrito anteriormente.

Simulación por Computadora

Esquemático SPICE con números de nodo:

Netlist (copia lo siguiente en un archivo de texto llamado potentiometric.cir):

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

La simulación demuestra que el voltaje de prueba es preciso solo cuando el detector nulo lee cero, es decir, cuando el potenciómetro está perfectamente equilibrado. En ese punto, la fuente ajustable lee exactamente 3,000 V, coincidiendo con la verdadera caída de voltaje a través de la resistencia de prueba.

Hojas de Trabajo Relacionadas

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