Voltímetros y amperímetros de CA

Los movimientos del medidor electromecánico de CA vienen en dos configuraciones básicas:aquellos basados ​​en diseños de movimiento de CC y aquellos diseñados específicamente para uso de CA.

Los movimientos del medidor de bobina móvil de imán permanente (PMMC) no funcionarán correctamente si se conecta directamente a la corriente alterna, porque la dirección del movimiento de la aguja cambiará con cada medio ciclo de la CA. (Figura siguiente)

Los movimientos del medidor de imán permanente, como los motores de imán permanente, son dispositivos cuyo movimiento depende de la polaridad del voltaje aplicado (o puede pensar en términos de la dirección de la corriente).

Pasar AC a través de este movimiento del medidor D’Arsonval provoca un aleteo inútil de la aguja.

Para utilizar un movimiento de medidor de estilo CC, como el diseño de D'Arsonval, la corriente alterna debe rectificarse en DC.

Esto se logra más fácilmente mediante el uso de dispositivos llamados diodos . Vimos diodos usados ​​en un circuito de ejemplo que demuestra la creación de frecuencias armónicas a partir de una onda sinusoidal distorsionada (o rectificada). Sin entrar en detalles elaborados sobre cómo y por qué los diodos funcionan como lo hacen, solo recuerde que cada uno actúa como una válvula unidireccional para que fluya la corriente.

La punta de flecha en cada símbolo de diodo apunta en la dirección permitida del flujo de corriente.

Dispuestos en un puente, cuatro diodos servirán para dirigir la CA a través del movimiento del medidor en una dirección constante a lo largo de todas las partes del ciclo de CA:

Pasar CA a través de este movimiento del medidor de CA rectificado lo conducirá en una dirección.

Otra estrategia para un movimiento práctico del medidor de CA es rediseñar el movimiento sin la sensibilidad de polaridad inherente de los tipos de CC.

Esto significa evitar el uso de imanes permanentes. Probablemente el diseño más simple es usar una paleta de hierro no magnetizado para mover la aguja contra la tensión del resorte, atrayendo la paleta hacia una bobina estacionaria de alambre energizado por la cantidad de CA que se medirá como en la figura siguiente.

Movimiento de medidor electromecánico de paleta de hierro.

La atracción electrostática entre dos placas de metal separadas por un espacio de aire es un mecanismo alternativo para generar una fuerza de movimiento de la aguja proporcional al voltaje aplicado.

Esto funciona tan bien para CA como para CC, o debería decir, ¡igual de mal! Las fuerzas involucradas son muy pequeñas, mucho más pequeñas que la atracción magnética entre una bobina energizada y una paleta de hierro, y como tales, estos movimientos "electrostáticos" del medidor tienden a ser frágiles y fácilmente perturbados por el movimiento físico.

Pero, para algunas aplicaciones de CA de alto voltaje, el movimiento electrostático es una tecnología elegante.

Al menos, esta tecnología posee la ventaja de una impedancia de entrada extremadamente alta, lo que significa que no es necesario extraer corriente del circuito bajo prueba. Además, los movimientos del medidor electrostático son capaces de medir voltajes muy altos sin necesidad de resistencias de rango u otros aparatos externos.

Cuando un movimiento sensible del medidor necesita ser reajustado para funcionar como un voltímetro de CA, se pueden emplear resistencias “multiplicadoras” conectadas en serie y / o divisores de voltaje resistivo como en el diseño del medidor de CC:(Figura siguiente)

La resistencia multiplicadora (a) o el divisor resistivo (b) escala el rango del movimiento básico del medidor.

Sin embargo, se pueden usar condensadores en lugar de resistencias para hacer circuitos divisores de voltímetro. Esta estrategia tiene la ventaja de no ser disipativa (no se consume energía real ni se produce calor):

Voltímetro de CA con divisor capacitivo.

Si el movimiento del medidor es electrostático y, por lo tanto, de naturaleza inherentemente capacitiva, se puede conectar un solo capacitor "multiplicador" en serie para darle un rango de medición de voltaje mayor, al igual que una resistencia multiplicadora conectada en serie genera una bobina móvil (inherentemente resistiva ) movimiento del medidor un rango de voltaje mayor:

Un movimiento de medidor electrostático puede usar un multiplicador capacitivo para multiplicar la escala del movimiento básico del medidor.

El tubo de rayos catódicos (CRT) mencionado en el capítulo de medición de CC es ideal para medir voltajes de CA, especialmente si el haz de electrones se desplaza de lado a lado a través de la pantalla del tubo mientras que el voltaje de CA medido impulsa el haz hacia arriba y hacia abajo. .

Con un dispositivo de este tipo se puede obtener fácilmente una representación gráfica de la forma de onda de CA y no solo una medida de magnitud. Sin embargo, los CRT tienen las desventajas del peso, el tamaño, el consumo de energía significativo y la fragilidad (al estar hechos de vidrio evacuado) en su contra.

Por estas razones, los movimientos electromecánicos del medidor de CA todavía tienen un lugar en el uso práctico.

Dado que ya se han discutido algunas de las ventajas y desventajas de estas tecnologías de movimiento de medidores, existe otro factor de crucial importancia que el diseñador y usuario de instrumentos de medición de CA debe conocer. Este es el problema de la medición RMS.

Como ya sabemos, las medidas de CA a menudo se proyectan en una escala de equivalencia de potencia de CC, llamada RMS ( R oot- M ean- S quare) en aras de comparaciones significativas con CC y con otras formas de onda de CA de forma variable. Ninguna de las tecnologías de movimiento de medidores discutidas hasta ahora mide inherentemente el valor RMS de una cantidad de CA.

Los movimientos del medidor que dependen del movimiento de una aguja mecánica (D'Arsonval "rectificado", paleta de hierro y electrostática) tienden a promediar mecánicamente los valores instantáneos en un valor promedio general para la forma de onda.

Este valor medio no es necesariamente el mismo que el RMS, aunque muchas veces se confunde como tal. Los valores promedio y RMS se comparan entre sí como tales para estas tres formas de onda comunes:

Valores RMS, promedio y pico a pico para ondas sinusoidales, cuadradas y triangulares.

Dado que el RMS parece ser el tipo de medición que la mayoría de la gente está interesada en obtener con un instrumento, los movimientos de los medidores electromecánicos ofrecen naturalmente un promedio mediciones en lugar de RMS, ¿qué deben hacer los diseñadores de medidores de CA? ¡Haz trampa, por supuesto!

Por lo general, se asume que la forma de onda que se va a medir será sinusoidal (con mucho, la más común, especialmente para los sistemas de energía), y luego la escala de movimiento del medidor se modifica con el factor de multiplicación apropiado.

Para las ondas sinusoidales, vemos que RMS es igual a 0,707 veces el valor máximo, mientras que el promedio es 0,637 veces el pico, por lo que podemos dividir una cifra por la otra para obtener un factor de conversión de media a RMS de 1,109:

En otras palabras, el movimiento del medidor se calibrará para indicar aproximadamente 1,11 veces más alto de lo que normalmente indicaría (naturalmente) sin adaptaciones especiales. Debe enfatizarse que este "truco" solo funciona bien cuando el medidor se usa para medir fuentes de ondas sinusoidales puras.

Tenga en cuenta que para las ondas triangulares, la relación entre RMS y Promedio no es la misma que para las ondas sinusoidales:

¡Con ondas cuadradas, los valores RMS y Promedio son idénticos! Un medidor de CA calibrado para leer con precisión el voltaje o la corriente RMS en una onda sinusoidal pura no dar el valor adecuado al tiempo que indica la magnitud de cualquier otra cosa que no sea una onda sinusoidal perfecta.

Esto incluye ondas triangulares, ondas cuadradas o cualquier tipo de onda sinusoidal distorsionada. Dado que los armónicos se están convirtiendo en un fenómeno omnipresente en los grandes sistemas de alimentación de CA, este asunto de la medición RMS precisa no es un asunto menor.

El lector astuto notará que he omitido el “movimiento” CRT de la discusión RMS / Average. Esto se debe a que un CRT con su “movimiento” de haz de electrones prácticamente ingrávido muestra el pico (o pico a pico si lo desea) de una forma de onda de CA en lugar de promedio o RMS.

Aún así, surge un problema similar:¿cómo se determina el valor RMS de una forma de onda a partir de ella? Los factores de conversión entre Pico y RMS solo se mantienen mientras la forma de onda caiga claramente en una categoría conocida de forma (seno, triángulo y cuadrado son los únicos ejemplos con factores de conversión Pico / RMS / Promedio dados aquí).

Una respuesta es diseñar el movimiento del medidor en torno a la definición misma de RMS:el poder calorífico efectivo de un voltaje / corriente CA cuando alimenta una carga resistiva. Suponga que la fuente de CA que se va a medir está conectada a través de una resistencia de valor conocido, y la salida de calor de esa resistencia se mide con un dispositivo como un termopar.

Esto proporcionaría un medio de medición de RMS mucho más directo que cualquier factor de conversión, ya que funcionará con CUALQUIER forma de onda:

El voltímetro RMS térmico de lectura directa se adapta a cualquier forma de onda.

Si bien el dispositivo que se muestra arriba es algo tosco y sufriría problemas de ingeniería únicos, el concepto ilustrado es muy sólido. La resistencia convierte el voltaje de CA o la cantidad de corriente en una cantidad térmica (calor), cuadrando efectivamente los valores en tiempo real.

La masa del sistema trabaja para promediar estos valores por el principio de inercia térmica, y luego la propia escala del medidor se calibra para dar una indicación basada en la raíz cuadrada de la medición térmica:¡Indicación perfecta de raíz cuadrada media, todo en un solo dispositivo!

De hecho, uno de los principales fabricantes de instrumentos ha implementado esta técnica en su línea de gama alta de multímetros electrónicos portátiles para la capacidad de "verdadero valor eficaz".

Calibrar voltímetros y amperímetros de CA para diferentes rangos de operación de escala completa es muy similar a los instrumentos de CC:las resistencias "multiplicadoras" en serie se utilizan para dar a los movimientos del voltímetro un rango más alto, y las resistencias de "derivación" paralelas se utilizan para permitir la medición de los movimientos del amperímetro. corrientes más allá de su rango natural.

Sin embargo, no estamos limitados a estas técnicas como lo estábamos con CC:debido a que podemos usar transformadores con CA, los rangos de los medidores pueden ser electromagnéticamente en lugar de resistivamente "intensificados" o "reducidos", a veces mucho más allá de lo que las resistencias prácticamente hubieran permitido. para.

Los transformadores de potencial (PT) y los transformadores de corriente (CT) son dispositivos de instrumentos de precisión fabricados para producir relaciones de transformación muy precisas entre los devanados primarios y secundarios.

Pueden permitir movimientos pequeños y simples del medidor de CA para indicar voltajes y corrientes extremadamente altos en los sistemas de energía con precisión y aislamiento eléctrico completo (algo que los multiplicadores y las resistencias de derivación nunca podrían hacer):

(CT) El transformador de corriente reduce la corriente. (PT) El transformador de potencial reduce el voltaje.

Aquí se muestra un panel medidor de voltaje y corriente de un sistema de CA trifásico. Los tres transformadores de corriente (TC) en forma de "rosquilla" se pueden ver en la parte posterior del panel. Tres amperímetros de CA (con una desviación de escala completa de 5 amperios cada uno) en la parte frontal del panel indican la corriente a través de cada conductor que pasa por un CT.

Como este panel se ha retirado de servicio, ya no hay conductores que transporten corriente enhebrados a través del centro de las "rosquillas" de CT:

Los transformadores de corriente toroidales reducen los niveles de corriente alta para su aplicación a amperímetros de CA de escala completa de 5 A.

Debido al costo (y a menudo al gran tamaño) de los transformadores de instrumentos, no se utilizan para escalar medidores de CA para aplicaciones que no sean de alto voltaje y alta corriente. Para escalar un movimiento de miliamperios o microamperios a un rango de 120 voltios o 5 amperios, se utilizan resistencias de precisión normales (multiplicadores y derivaciones), al igual que con CC.

REVISAR:

• Los movimientos del medidor polarizado (CC) deben utilizar dispositivos llamados diodos para poder indicar las cantidades de CA.
• Los movimientos electromecánicos del medidor, ya sean electromagnéticos o electrostáticos, proporcionan naturalmente el promedio valor de una cantidad de CA medida. Estos instrumentos pueden tener un rango para indicar el valor RMS, ¡pero solo si la forma de la forma de onda de CA se conoce con precisión de antemano!
• El llamado verdadero valor eficaz Los medidores utilizan una tecnología diferente para proporcionar indicaciones que representan el valor eficaz real (en lugar del promedio o pico sesgado) de una forma de onda de CA.