Diseño de Rangos de Voltímetros de Precisión: De Movimientos Sensibles a Lecturas de Fondo de Escala

La mayoría de los movimientos de medidor son altamente sensibles. Por ejemplo, algunos movimientos D'Arsonval tienen una corriente de desviación de fondo de escala tan baja como 50 µA, con una resistencia interna de hilo por debajo de 1 kΩ. Esto limita el voltaje de fondo de escala directo del movimiento a solo 50 mV (50 µA × 1 kΩ). Para construir voltímetros prácticos capaces de medir voltajes mayores, debemos atenuar el voltaje de entrada para que solo una fracción segura alcance el movimiento.

Ejemplo de Movimiento D'Arsonval

Considere un movimiento D'Arsonval con una desviación de fondo de escala de 1 mA y una resistencia de bobina de 500 Ω. Usando la ley de Ohm, el voltaje que lleva este movimiento a fondo de escala es:

E = I R
E = (1 mA)(500 Ω) = 0,5 V

Así, el movimiento desnudo puede leer hasta 0,5 V. Para extender su rango más allá de este valor, necesitamos un circuito de reparto que limite el voltaje a través del movimiento mientras permite que el medidor muestre voltajes aplicados mayores.

Al añadir una resistencia en serie —la llamada resistencia multiplicadora— el movimiento pasa a formar parte de un divisor de voltaje. El voltaje total aplicado al par en serie se reparte entre la multiplicadora y el movimiento, asegurando que solo la fracción apropiada llegue a la bobina.

Cálculo de la Resistencia Multiplicadora

Supongamos que queremos que el movimiento de 1 mA, 500 Ω alcance fondo de escala a un voltaje aplicado de 10 V. Primero establecemos una tabla E/I/R para los dos elementos en serie:

Con el movimiento en fondo de escala (1 mA) y el voltaje total aplicado a 10 V, la tabla queda:

Hay dos formas comunes de hallar la resistencia multiplicadora:

• Método de resistencia total: R_total = E/I = 10 V/1 mA = 10 kΩ. Restamos los 500 Ω del movimiento para obtener R_multiplicadora = 9,5 kΩ.
• Método de caída de voltaje: El movimiento cae 0,5 V (E = IR). Los 9,5 V restantes deben caer en la multiplicadora. Usando R = E/I se obtiene R_multiplicadora = 9,5 kΩ de nuevo.

Cualquiera de los enfoques confirma que se requiere una multiplicadora de 9,5 kΩ. Cuando se aplican 10 V entre los terminales, fluyen 1 mA por el circuito, el movimiento ve exactamente 0,5 V y la aguja apunta a fondo de escala. La escala del medidor simplemente se reetiqueta para leer 0–10 V, así el usuario ve una lectura correcta de 10 voltios sin conocer la división subyacente.

Así, un movimiento sensible es "engañado" por una red de resistencias de precisión para mostrar un voltaje mayor. Los amperímetros usan una resistencia shunt en paralelo para dividir la corriente, pero el principio subyacente es idéntico.

Diseño de Voltímetro Multi-Rango

Para proporcionar a un solo movimiento múltiples rangos de voltaje, un selector multipolo contacta diferentes resistencias multiplicadoras. Un voltímetro típico de cuatro rangos (1 V, 10 V, 100 V, 1 kV) construido sobre un movimiento de 1 mA, 500 Ω usaría los siguientes valores de resistencia:

Estos valores a menudo son imprácticos de conseguir directamente. Los diseñadores usan entonces un enfoque escalonado, seleccionando valores estándar de resistencia que sumen el total requerido. Para el rango de 1 kV, el selector contacta una pila en serie de 900 kΩ, 90 kΩ, 9 kΩ y 500 Ω:

Sumándolos se obtiene los 999,5 kΩ exactos necesarios:

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

Desde la perspectiva del usuario, el medidor se comporta idénticamente en todos los rangos; solo cambian las etiquetas de la escala.

Resumen

• Los rangos extendidos de voltímetro se logran añadiendo resistencias multiplicadoras en serie que forman un divisor de voltaje.
• Cada rango usa un valor de resistencia distinto o una combinación de valores estándar.
• La sensibilidad del movimiento se preserva mientras se permite la medición de altos voltajes.

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