Diseño de voltímetro

Como se dijo anteriormente, la mayoría de los movimientos del medidor son dispositivos sensibles. Algunos movimientos D'Arsonval tienen valores nominales de corriente de deflexión a escala completa de tan solo 50 µA, con una resistencia del cable (interna) de menos de 1000 Ω. ¡Esto lo convierte en un voltímetro con una clasificación de escala completa de solo 50 milivoltios (50 µA X 1000 Ω)! Para construir voltímetros con escalas prácticas (voltaje más alto) a partir de movimientos tan sensibles, necesitamos encontrar alguna manera de reducir la cantidad medida de voltaje a un nivel que el movimiento pueda manejar.

Medidor de movimiento D’Arsonval

Comencemos con nuestros problemas de ejemplo con un movimiento de medidor D'Arsonval que tiene una clasificación de deflexión de escala completa de 1 mA y una resistencia de bobina de 500 Ω:

Usando la ley de Ohm (E =IR), podemos determinar cuánto voltaje impulsará el movimiento de este medidor directamente a la escala completa:

E =I R E =(1 mA) (500 Ω) E =0,5 voltios

Si todo lo que quisiéramos fuera un medidor que pudiera medir 1/2 voltio, el movimiento del medidor desnudo que tenemos aquí sería suficiente. Pero para medir mayores niveles de voltaje, se necesita algo más. Para obtener un rango efectivo de voltímetro en exceso de 1/2 voltio, necesitaremos diseñar un circuito que permita que solo una proporción precisa del voltaje medido caiga a través del movimiento del medidor.

Esto extenderá el rango de movimiento del medidor a voltajes más altos. En consecuencia, tendremos que volver a etiquetar la escala en la cara del medidor para indicar su nuevo rango de medición con este circuito proporcional conectado.

Pero, ¿cómo creamos el circuito dosificador necesario? Bueno, si nuestra intención es permitir que este movimiento del medidor mida un voltaje mayor que ahora, lo que necesitamos es un divisor de voltaje circuito para proporcionar el voltaje total medido en una fracción menor a través de los puntos de conexión del movimiento del medidor. Sabiendo que los circuitos divisores de voltaje se construyen a partir de series resistencias, conectaremos una resistencia en serie con el movimiento del medidor (usando la propia resistencia interna del movimiento como la segunda resistencia en el divisor):

Resistencias multiplicadoras

La resistencia en serie se llama resistencia "multiplicadora" porque multiplica el rango de trabajo del movimiento del medidor, ya que divide proporcionalmente el voltaje medido a través de él. Determinar el valor de resistencia del multiplicador requerido es una tarea fácil si está familiarizado con el análisis de circuitos en serie.

Por ejemplo, determinemos el valor del multiplicador necesario para que este movimiento de 1 mA, 500 Ω se lea exactamente a escala completa a un voltaje aplicado de 10 voltios. Para hacer esto, primero necesitamos configurar una tabla E / I / R para los dos componentes de la serie:

Sabiendo que el movimiento será a escala completa con 1 mA de corriente pasando a través de él, y que queremos que esto suceda a un voltaje aplicado (circuito en serie total) de 10 voltios, podemos completar la tabla como tal:

Hay un par de formas de determinar el valor de resistencia del multiplicador. Una forma es determinar la resistencia total del circuito usando la ley de Ohm en la columna "total" (R =E / I), luego restar los 500 Ω del movimiento para llegar al valor del multiplicador:

Otra forma de calcular el mismo valor de resistencia sería determinar la caída de voltaje a través del movimiento en la deflexión de escala completa (E =IR), luego restar esa caída de voltaje del total para llegar al voltaje a través de la resistencia multiplicadora. Finalmente, la ley de Ohm podría usarse nuevamente para determinar la resistencia (R =E / I) para el multiplicador:

Cualquiera de las dos formas proporciona la misma respuesta (9,5 kΩ), y un método podría usarse como verificación para el otro, para verificar la precisión del trabajo.

Con exactamente 10 voltios aplicados entre los cables de prueba del medidor (de alguna batería o fuente de alimentación de precisión), habrá exactamente 1 mA de corriente a través del movimiento del medidor, según lo restringido por la resistencia "multiplicadora" y la propia resistencia interna del movimiento. Se caerá exactamente 1/2 voltio a través de la resistencia de la bobina de alambre del movimiento, y la aguja apuntará con precisión a la escala completa. Después de haber vuelto a etiquetar la escala para que lea de 0 a 10 V (en lugar de 0 a 1 mA), cualquiera que vea la escala interpretará su indicación como diez voltios.

Tenga en cuenta que el usuario del medidor no tiene que ser consciente de que el movimiento en sí mismo está midiendo solo una fracción de esos diez voltios de la fuente externa. Todo lo que le importa al usuario es que el circuito en su conjunto funciona para mostrar con precisión el voltaje total aplicado.

Así es como se diseñan y utilizan los medidores eléctricos prácticos:un movimiento de medidor sensible se construye para operar con el menor voltaje y corriente posible para una máxima sensibilidad, luego es "engañado" por algún tipo de circuito divisor construido con resistencias de precisión para que indica escala completa cuando se imprime un voltaje o corriente mucho mayor en el circuito como un todo. Hemos examinado el diseño de un voltímetro simple aquí. Los amperímetros siguen la misma regla general, excepto que se utilizan resistencias de "derivación" conectadas en paralelo para crear un divisor de corriente circuito en lugar del divisor de voltaje conectado en serie Resistencias "multiplicadoras" utilizadas para diseños de voltímetros.

Generalmente, es útil tener múltiples rangos establecidos para un medidor electromecánico como este, lo que le permite leer un amplio rango de voltajes con un solo mecanismo de movimiento. Esto se logra mediante el uso de un interruptor multipolar y varias resistencias multiplicadoras, cada una dimensionada para un rango de voltaje particular:

El interruptor de cinco posiciones hace contacto con un solo resistor a la vez. En la posición inferior (totalmente en el sentido de las agujas del reloj), hace contacto sin ningún resistor, lo que proporciona un ajuste de "apagado". Cada resistor está dimensionado para proporcionar un rango de escala completo particular para el voltímetro, todo basado en la clasificación particular del movimiento del medidor (1 mA, 500 Ω). El resultado final es un voltímetro con cuatro rangos de medición de escala completa diferentes. Por supuesto, para que esto funcione de manera sensata, la escala del movimiento del medidor debe estar equipada con etiquetas apropiadas para cada rango.

Con un diseño de medidor de este tipo, cada valor de resistencia se determina mediante la misma técnica, utilizando un voltaje total conocido, una clasificación de deflexión de escala completa de movimiento y una resistencia de movimiento. Para un voltímetro con rangos de 1 voltio, 10 voltios, 100 voltios y 1000 voltios, las resistencias multiplicadoras serían las siguientes:

Tenga en cuenta los valores de la resistencia multiplicadora utilizados para estos rangos y lo extraños que son. Es muy poco probable que una resistencia de precisión de 999,5 kΩ se encuentre alguna vez en un contenedor de piezas, por lo que los diseñadores de voltímetros a menudo optan por una variación del diseño anterior que utiliza valores de resistencia más comunes:

Con cada rango de voltaje sucesivamente más alto, el interruptor selector pone en servicio más resistencias multiplicadoras, lo que hace que sus resistencias en serie se sumen para el total necesario. Por ejemplo, con el selector de rango en la posición de 1000 voltios, necesitamos un valor de resistencia del multiplicador total de 999.5 kΩ. Con este diseño de medidor, eso es exactamente lo que obtendremos:

R _Total =R4 + R3 + R2 + R1 R _Total =900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω R _Total =999,5 kΩ

La ventaja, por supuesto, es que los valores de las resistencias multiplicadoras individuales son más comunes (900k, 90k, 9k) que algunos de los valores impares en el primer diseño (999.5k, 99.5k, 9.5k). Sin embargo, desde la perspectiva del usuario del medidor, no habrá una diferencia perceptible en la función.

REVISAR:

• Se crean rangos de voltímetro extendidos para movimientos sensibles del medidor agregando resistencias "multiplicadoras" en serie al circuito de movimiento, lo que proporciona una relación de división de voltaje precisa.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de diseño de voltímetro
• Hoja de trabajo del voltímetro