En electricidad y electrónica existen los más variados tipos de instrumentos de medición. Los más comunes para el uso diario son los amperímetro y voltímetro. Hoy con el advenimiento de la tecnología digital, estos instrumentos fueron dispositivo que pasó a llamarse multímetro. Hay muchos tipos diferentes de multímetros. El más común incorpora un medidor de voltaje (continuo y alterno), corriente eléctrica (multímetros comunes solo CC) y un ohmímetro. Estos modelos son de muy bajo costo. Los más sofisticados, a un costo más alto, pueden incorporar medidores de corriente alterna, capacitancia, inductancia, medidores de frecuencia, así como también incorporar un probador de diodos y transistores y otras características.

En este sitio nos limitaremos a estudiar el amperímetro y voltímetro, desde el punto de vista analógico, porque la idea es transmitir un conocimiento básico de los principios de su funcionamiento.

El instrumento básico utilizado para hacer amperímetros es el llamado Galvanómetro d'Arsonval. Es un dispositivo que consiste en una bobina con núcleo de hierro montada entre los polos de un imán permanente. Los resortes helicoidales son para amortiguar el movimiento de la bobina y transportar la corriente a la bobina La bobina, cuando pasa por una corriente eléctrica, genera Un campo magnético que interactúa con el campo magnético del imán permanente. Esta interacción genera un par que hace que la bobina gire sobre su propio eje. Unidos a bobina móvil, tenemos un puntero que marcará la desviación en una escala. Cómo la desviación es directamente proporcional a la corriente que fluye a través de la bobina, por lo que tenemos un medidor de corriente basada en principios electromagnéticos.

Normalmente, la bobina está construida con un cable de cobre muy delgado (más delgado que un cabello humano) y como su longitud es muy larga, obviamente esto dará como resultado una resistencia al paso de la corriente eléctrica. Esta resistencia es lo que llamamos resistencia interna, R_i, de un galvanómetro como se muestra en la Figura 16-01. Y esta resistencia es de suma importancia para el diseño de amperímetros. Además, cada amperímetro tiene lo que llamamos final de escala, que no es más que la corriente máxima que el amperímetro puede medir.

2.a.    Ampliación de Escala

Por lo general, los galvanómetros tienen final de escala, es decir, la corriente máxima que se puede medir en el orden de microampère o miliampère. Sin embargo, si queremos medir corrientes de mayor valor, tenemos que hacer algunas modificaciones para alcanzar nuestra meta. Supongamos que tenemos un galvanómetro con I_g = 1 mA de final de escala y resistencia R_i = 50 ohmios interno. Queremos que este instrumento mida una corriente de 500 mA. Una de las formas utilizadas es emplear el llamado circuito SHUNT, que es simplemente agregar una resistencia de valor adecuada en paralelo con el instrumento.

Tenga en cuenta que si nuestro instrumento mide 1 mA, esto significa que por resistencia que ponemos en paralelo debe pasar una corriente de 499 mA , totalizando los 500 mA que es nuestro objetivo.Entonces, para calcular el valor de esta resistencia, primero debemos calcular qué voltaje causa la deflexión máxima en nuestro miliamperímetro sin la resistencia paralela, es decir:

Ahora sabemos que debemos tener una resistencia en paralelo con el miliamperímetro, que llamaremos R_sh (resistencia de derivación), que tiene tal valor que cuando tengamos una diferencia potencial de 50 mV sobre él, circulará una corriente de 499 mA.

Por supuesto, es muy fácil desarrollar una ecuación que nos permita calcular El valor de esta resistencia para cualquier instrumento. Para esto debemos saber la final de escala del instrumento, que estará representada por I_g. El valor de la resistencia interna del instrumento, lo representaremos por R_i. La corriente que circula por la resistencia en paralelo llamaremos I_sh. Note que I_sh = I - I_g, donde I es la corriente que será medido por el instrumento. Entonces

Darse cuenta de que el producto R_i I_g es el valor de V_g. Entonces, para nuestro problema, calculemos el valor de R_sh.

Vea lo fácil que es diseñar un amperímetro multiescala adecuado para el uso diario. En la pestaña problemas resueltos presentamos este caso.

Otro instrumento muy útil es el voltímetro . Básicamente consiste en un miliamperímetro o microamperímetro en serie con una resistencia de un valor adecuado para determinar la escala que nos interesa.

Diseñemos un voltímetro usando un miliamperímetro con el mismo características del elemento anterior, es decir, 1 mA de final de escala y resistencia interna de 50 ohmios. Ya sabemos que cuando aplicamos un voltaje de 50 mV, nuestro miliamperímetro tiene la deflexión máxima, lo que indica que la corriente que fluye a través de él es 1 mA. Entonces, si queremos medir un voltaje de 10 voltios, debemos poner una resistencia en serie de tal manera que tiene una diferencia potencial de 10 - 0,05 = 9,95 voltios . Como la corriente de circulación es 1 mA, entonces el valor de la resistencia en serie, denominado aquí R_s, y una vez más usando la ley de Ohm, será:

En los instrumentos de medición eléctrica es común definir una propiedad llamada sensibilidad, S , como el inverso de la corriente que el instrumento es capaz de medir a su máxima deflexión (es decir, final de escala). Pero lo contrario de la corriente nada más es que ohmios por voltio, Ω/V.

Por lo tanto, el instrumento del ejemplo anterior tiene una sensibilidad de:

En la práctica, es admisible el uso de un voltímetro con un valor de sensibilidad igual o superior la 20.000 Ω/V. Esto significa que nuestro galvanómetro debe ser un microamperímetro con final de escala de 50 µA.

Vea aplicaciones más prácticas de instrumentos de medición haciendo clic en la pestaña problemas resueltos, ou Aquí!

4.1. Caso do Amperímetro

Debemos ser conscientes de que cuando queremos medir una corriente eléctrica en un circuito con un amperímetro, debemos abrir el circuito en el punto donde queremos tomar la medición e insertar el amperímetro EN SERIE con el circuito. NUNCA coloque un amperímetro EN PARALELO con el circuito, ya que este instrumento, por regla general, tiene una resistencia baja, pondrá en cortocircuito el punto a medir. Esto puede causar daños graves a la circuito y el propio instrumento de medición.

Exactamente porque tenemos que insertar el amperímetro en serie con el circuito, esto conducirá a una inexactitud en la lectura de la corriente eléctrica, ya que con el amperímetro en serie, hubo un aumento en la resistencia eléctrica en el circuito y en consecuencia la lectura será   INFERIOR   a real.

La corriente real I que fluye a través del circuito sin el amperímetro viene dada por I = V / R. Sin embargo, como podemos ver en la Figura 16-02 rompiendo el circuito y introduciendo el amperímetro en serie con el circuito (entre los puntos A y P), por supuesto, debemos agregar el valor de R_i la R y la corriente medida estará dada por:

Por lo tanto, como hubo un aumento en la resistencia del circuito, la corriente medida por el amperímetro será menor que la corriente actual I, es decir   I_medida < I.

4.2. Caso do Voltímetro

Como era evidente en ítem 3, cuando usamos un voltímetro a cierta escala, este instrumento tiene un cierto valor de resistencia entre sus terminales. Para medir el voltaje eléctrico entre dos puntos de un circuito, sabemos que el instrumento debe estar en paralelo con los componentes que se encuentran entre los dos puntos mencionados. Por lo tanto, esta resistencia interferirá con el resultado final de la medición. Vamos a entender cómo sucede esto.

Por la inspección del circuito de Figura 16-03 sabemos que entre los puntos a-b, considerando que no tenemos el voltímetro insertado en los puntos a-b, hay un diferencia de potencial de 10 voltios (solo aplique un divisor de voltaje resistivo). Al insertar el voltímetro en los puntos a-b, por supuesto ponemos la resistencia interna del instrumento en paralelo a la resistencia de 4 kΩ . Suponiendo que el voltímetro tiene una sensibilidad de 1.000 Ω/Vy hemos elegido el escala de 10 voltios, esto significa que la resistencia interna del instrumento es 10.000 Ω. Ahora, lo que tenemos entre los puntos a-b es un valor de resistencia resultante del paralelo de 4 kΩ y 10 kΩ. Esto resulta con un valor de resistencia de 2 857 Ω.

Ahora volvamos a calcular cuál será el nuevo valor de voltaje entre los puntos a-b. Aplicando un divisor de voltaje resistivo tenemos:

Note que medimos un voltaje por debajo del valor real, causando un error muy razonable. Usando la misma idea, supongamos que el instrumento utilizado tenía una sensibilidad de 20 000 Ω/V. En este caso, para una escala de 10 voltios tenemos una resistencia interna del instrumento de 200 000 Ω. Calculando el paralelo de 4 kΩ y 200 kΩ da como resultado un valor igual a 3 922 Ω. Aplicando el divisor de voltaje resistivo, tenemos:

Ahora puedes entender por qué deberíamos usar un instrumento con gran sensibilidad, ya que esto nos permite medir valores muy cercanos al valor real.