Diseño de Medidores de Voltaje y Corriente CA: De Rectificación a Medición True-RMS

Los movimientos de medidor electromecánicos para corriente alterna se dividen generalmente en dos grupos: adaptaciones de diseños de corriente continua (CC) y unidades específicamente diseñadas para medición CA.

Los movimientos de bobina móvil de imán permanente (PMMC) no pueden conectarse directamente a CA. La aguja oscilaría con cada semi-ciclo, produciendo un aleteo inútil (ver figura abajo).

Los dispositivos de imán permanente, como motores, dependen de la polaridad del voltaje aplicado o dirección de corriente. Cuando se aplica CA, la polaridad se invierte cada semi-ciclo, causando que la aguja se mueva adelante y atrás.

Pasar CA a través de un movimiento de medidor D'Arsonval produce un aleteo rápido e inefectivo de la aguja.

Para emplear un movimiento estilo CC como el diseño D'Arsonval, la señal CA debe primero rectificarse a CC. El método más común usa diodos, que actúan como válvulas de un solo sentido para flujo de corriente. Cuatro diodos en configuración puente aseguran que la corriente a través del movimiento del medidor siempre fluya en una sola dirección, sin importar el ciclo de CA.

CA rectificada aplicada a movimiento de medidor con puente rectificador impulsa la aguja consistentemente en una dirección.

Alternativamente, movimientos de medidor específicos para CA pueden diseñarse para evitar la sensibilidad a polaridad inherente a tipos CC. Un enfoque común usa una paleta de hierro no magnetizada que es atraída hacia una bobina estacionaria energizada por la cantidad CA medida, como se ilustra abajo.

Movimiento electromecánico de medidor de paleta de hierro.

La atracción electrostática entre dos placas metálicas separadas por un espacio de aire ofrece otro mecanismo para generar fuerza moviendo aguja proporcional al voltaje aplicado. Aunque este método funciona igual para CA y CC, las fuerzas son típicamente muy pequeñas, haciendo tales movimientos frágiles y susceptibles a perturbación. No obstante, medidores electrostáticos son atractivos para aplicaciones CA de alto voltaje por su impedancia de entrada extremadamente alta y capacidad de medir grandes voltajes sin resistencias de rango externas.

Cuando un movimiento de medidor electrostático u otro básico necesita calibrarse para uso CA, resistores "multiplicadores" conectados en serie o divisores de voltaje resistivos se emplean, igual que en diseño de medidores CC:

Resistor multiplicador (a) o divisor resistivo (b) escala el rango del movimiento básico del medidor.

Usar capacitores en lugar de resistores para el divisor ofrece solución no disipativa, eliminando generación de calor. Esta técnica es particularmente ventajosa para mediciones CA de alto voltaje.

Voltímetro CA empleando divisor capacitivo.

Para movimientos de medidor electrostáticos —que son inherentemente capacitivos— un solo capacitor "multiplicador" puede añadirse en serie para extender el rango de voltaje medible, análogo a resistor multiplicador para medidores de bobina móvil.

Un movimiento de medidor electrostático puede usar un multiplicador capacitivo para aumentar su rango.

El enfoque de medición con tubo de rayos catódicos (CRT), descrito en el capítulo CC, también es adecuado para medición de voltaje CA. Barrendo el haz de electrones lado a lado a través de la pantalla mientras la señal CA impulsa deflexión vertical, el dispositivo puede mostrar la forma de onda, no solo lectura de magnitud. Sin embargo, CRTs son voluminosos, consumen potencia significativa y son frágiles por su construcción de vidrio evacuado, limitando su uso práctico.

Los movimientos de medidor electromecánicos CA aún juegan papel esencial en muchas aplicaciones. Una consideración crítica para diseñadores y usuarios por igual es la medición de valores RMS (raíz media cuadrática), que proporcionan comparación significativa entre potencia CA y CC.

Mientras medidores D'Arsonval rectificados, de paleta de hierro y electrostáticos naturalmente entregan valor promedio de la señal instantánea, este promedio no equivale a RMS. La siguiente tabla ilustra la relación entre RMS, promedio y valores pico-a-pico para ondas seno, cuadrada y triangular:

Valores RMS, promedio y pico-a-pico para ondas seno, cuadrada y triangular.

Como los medidores electromecánicos inherentemente reportan valores promedio, diseñadores a menudo "hacen trampa" asumiendo la forma de onda es seno puro. Para onda seno, RMS iguala 0,707 veces valor pico, mientras promedio iguala 0,637 veces pico. Dividiendo estos da factor de conversión promedio-a-RMS de 1,109:

En consecuencia, el movimiento del medidor se calibra para indicar aproximadamente 1,11 veces la lectura natural, alineando con valor RMS verdadero para ondas seno. Este enfoque falla para formas de onda no senoidales como triangular o cuadrada, donde las ratios RMS-a-promedio difieren significativamente.

Para ondas cuadradas, RMS iguala al promedio, pero para ondas triangulares el factor de conversión difiere. Estas discrepancias se vuelven críticas en sistemas de potencia modernos donde distorsión armónica es común.

Medidores CRT, que muestran pico o pico-a-pico de la forma de onda, también enfrentan esta limitación; determinar RMS desde medición de pico requiere conocimiento de la forma de onda.

Una solución más robusta es diseñar un medidor que mida RMS directamente explotando la definición de RMS como valor calorífico de una señal CA en carga resistiva. Conectando la fuente CA a través de un resistor de valor conocido y midiendo el calor resultante con un termopar, el medidor puede proporcionar lectura true-RMS independiente de forma de onda:

Voltímetro RMS térmico de lectura directa acomoda cualquier forma de onda.

Aunque el concepto es directo, la implementación práctica presenta desafíos de ingeniería. No obstante, el principio —convertir potencia eléctrica en calor y medir ese calor— ha sido adoptado en multímetros de mano de alta gama para capacidad true-RMS.

Calibrar voltímetros y amperímetros CA a través de diferentes rangos sigue los mismos principios usados para instrumentos CC: resistores multiplicadores en serie (o capacitores) extienden rangos de voltaje, mientras resistores shunt en paralelo acomodan corrientes mayores. Además, transformadores —particularmente transformadores de potencial (PT) y transformadores de corriente (CT)— permiten escalado electromagnético de rangos, permitiendo pequeños movimientos de medidor medir grandes voltajes o corrientes con aislamiento eléctrico.

CT escala corriente hacia abajo; PT escala voltaje hacia abajo.

En un panel CA trifásico típico, CTs toroidales se colocan detrás de la carcasa del medidor, mientras tres amperímetros CA de fondo de escala 5 A indican corriente en cada conductor a través de los CTs. Cuando el panel se desmantela, los CTs permanecen, pero los conductores ya no están presentes:

CTs toroidales escalan niveles altos de corriente para amperímetros CA de 5 A.

Como los transformadores de instrumento son costosos y a menudo grandes, se reservan para aplicaciones de alto voltaje o alta corriente. Para mediciones de rango inferior —como escalar medidor de miliamperios a 120 V o 5 A— resistores de precisión (multiplicadores y shunts) se usan, igual que con medidores CC.

RESUMEN:

• Movimientos de medidor polarizados (CC) requieren diodos para medir cantidades CA.
• Movimientos de medidor electromecánicos —ya sean electromagnéticos o electrostáticos— naturalmente proveen valores promedio; pueden calibrarse para indicar RMS solo si la forma de onda se conoce de antemano.
• Medidores true-RMS emplean tecnología especializada para entregar indicaciones RMS precisas sin importar la forma de onda.