Comprender magnitudes de voltaje y corriente CA: pico, RMS y más

El voltaje CA alterna polaridad y la corriente CA alterna dirección. Al registrar cómo cambian estas cantidades con el tiempo, podemos trazarlas como forma de onda.

Medir el tiempo que tarda una forma de onda en completar un ciclo da el período; su recíproco es la frecuencia, que en música corresponde al tono.

Mientras las cantidades CC son directas de expresar porque permanecen constantes, las cantidades CA cambian continuamente, haciendo que un valor de magnitud único sea más complejo de definir.

Formas comunes de expresar amplitud CA

1. Valor pico (cresta) — la altura máxima de la forma de onda medida desde la línea cero hasta el pico positivo más alto o negativo más bajo.
Voltaje pico de una forma de onda.

2. Valor pico a pico (P-P) — la distancia vertical total desde el pico positivo máximo al pico negativo máximo.
Voltaje pico a pico de una forma de onda.

Estas mediciones pueden ser engañosas al comparar diferentes formas de onda. Una onda cuadrada que pica a 10 V entrega más potencia en el tiempo que una onda triangular que pica al mismo voltaje.

Una onda cuadrada produce mayor efecto de calentamiento que la misma onda triangular a igual voltaje pico.

3. Valor medio — la media aritmética de todos los puntos en un ciclo. Para formas de onda simétricas, la media algebraica es cero porque áreas positivas y negativas se cancelan. Prácticamente, el promedio se define como la media de los valores absolutos de todos los puntos, dando un número positivo que refleja la magnitud global de la forma de onda.

Forma de onda vista por medidor CA de respuesta promedio.

Los medidores mecánicos con movimientos insensibles a polaridad promedian naturalmente la forma de onda porque su inercia amortigua oscilaciones rápidas. Los medidores sensibles a polaridad oscilan alrededor de cero y solo muestran la media algebraica, que es cero para ondas simétricas.

4. Valor Raíz Media Cuadrática (RMS) — la métrica más significativa para cálculos de potencia. RMS se define como la raíz cuadrada de la media de los valores al cuadrado de la forma de onda. Representa el voltaje o corriente CC que disiparía la misma cantidad de calor en una resistencia que la forma de onda CA.

Ejemplo: Una resistencia de 2 Ω disipa 50 W de calor al ser alimentada por una fuente CC de 10 V. La fuente CA que produce el mismo efecto de calentamiento se describe como 10 V RMS. El valor RMS se calcula elevando al cuadrado la forma de onda, promediando y tomando la raíz cuadrada.

RMS a menudo se llama equivalente CC o simplemente valor equivalente. Es la medición preferida para potencia, ampacidad de cables y la mayoría de cálculos de ingeniería.

Los valores pico son críticos al evaluar aislamiento o dispositivos que pueden dañarse por picos transitorios, como sistemas CA de alto voltaje.

Instrumentos de medición

Los valores pico y pico a pico se capturan mejor con un osciloscopio, que puede registrar crestas de forma de onda con precisión. Los valores RMS requieren medidores calibrados para RMS. Los medidores electromecánicos analógicos (D'Arsonval, Weston, paleta de hierro, electrodinamómetro) deben sesgarse para RMS y son precisos solo para la forma de onda usada durante calibración —usualmente una onda seno.

Los medidores True-RMS usan un elemento calefactor cuya temperatura es proporcional al voltaje RMS. Este método es independiente de la forma de onda y proporciona la medición RMS más precisa.

Factores de conversión para formas de onda comunes

Factores de conversión para formas de onda comunes.

La tabla lista las relaciones entre pico, pico a pico, promedio (práctico) y RMS para ondas seno, cuadrada y triangular. Para formas de onda distorsionadas, no existe conversión simple.

Ratios clave incluyen:

• Factor de cresta — Pico dividido por RMS.
• Factor de forma — RMS dividido por promedio.
• Para onda seno: RMS = 0,707 × Pico; Promedio = 0,637 × Pico; Factor de forma = 1,11.
• Para onda cuadrada: RMS = Pico; Factor de forma = 1.
• Para onda triangular: RMS = 0,577 × Pico; Factor de forma = 1,15.

Limitaciones de medidores RMS analógicos

Los medidores analógicos calibrados para RMS de onda seno son precisos solo para ondas seno puras. Para otras formas de onda, el medidor indica el valor promedio escalado por el factor de forma de onda seno (1,1107), llevando a error sistemático. Los medidores True-RMS evitan esta limitación.

Repaso

• La amplitud CA puede expresarse como pico, pico a pico, promedio o RMS.
• Pico (cresta) es el punto positivo más alto o negativo más bajo.
• Pico a pico es la altura total desde máximo positivo a máximo negativo.
• Promedio es la media de valores absolutos en un ciclo; para onda seno ≈ 0,637 × Pico.
• RMS es el equivalente CC; para onda seno ≈ 0,707 × Pico.
• El factor de cresta es Pico ÷ RMS.
• El factor de forma es RMS ÷ Promedio.
• Los medidores electromecánicos responden al valor promedio; la calibración RMS debe coincidir con la forma de onda.

Hojas de trabajo relacionadas

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