Amperímetro

Modelo de demostración de un anímetro de hierro en movimiento. A medida que aumenta la corriente a través de la bobina, el émbolo se arrastra más hacia la bobina y el puntero desvía a la derecha.

Un amperímetro (abreviatura de Amperímetro) es un instrumento que se utiliza para medir la corriente en un circuito. Las corrientes eléctricas se miden en amperios (A), de ahí el nombre. Para la medición directa, el amperímetro se conecta en serie con el circuito en el que se va a medir la corriente. Un amperímetro suele tener una resistencia baja para que no provoque una caída de tensión significativa en el circuito que se está midiendo.

Los instrumentos utilizados para medir corrientes más pequeñas, en el rango de miliamperios o microamperios, se designan como miliamperímetros o microamperímetros. Los primeros amperímetros eran instrumentos de laboratorio que dependían del campo magnético terrestre para funcionar. A fines del siglo XIX, se diseñaron instrumentos mejorados que podían montarse en cualquier posición y permitían mediciones precisas en los sistemas de energía eléctrica. Generalmente se representa con la letra 'A' en un circuito

Ammeter from the University of Dundee Physics Department

Historia

Ammeter de la antigua planta de servicio terminal de Penn Station en Nueva York

La relación entre la corriente eléctrica, los campos magnéticos y las fuerzas físicas fue notada por primera vez por Hans Christian Ørsted en 1820, quien observó que la aguja de una brújula se desviaba del norte cuando fluía una corriente en un cable adyacente. El galvanómetro tangente se usó para medir las corrientes usando este efecto, donde la fuerza de restauración que devolvía el puntero a la posición cero era proporcionada por el campo magnético de la Tierra. Esto hizo que estos instrumentos solo se pudieran usar cuando estaban alineados con el campo de la Tierra. La sensibilidad del instrumento se incrementó mediante el uso de vueltas adicionales de alambre para multiplicar el efecto; los instrumentos se denominaron "multiplicadores".

La palabra reoscopio como detector de corrientes eléctricas fue acuñada por Sir Charles Wheatstone alrededor de 1840, pero ya no se usa para describir instrumentos eléctricos. La palabra maquillaje es similar a la de reóstato (también acuñada por Wheatstone), que era un dispositivo que se usaba para ajustar la corriente en un circuito. Reóstato es un término histórico para una resistencia variable, aunque a diferencia del reoscopio todavía se puede encontrar.

Tipos

Algunos instrumentos son medidores de panel, destinados a ser montados en algún tipo de panel de control. De estos, el tipo plano, horizontal o vertical a menudo se denomina medidor de borde.

Bobina móvil

La corriente de carga de alambre para medir.
Primavera que proporciona fuerza de restauración
Esta ilustración es conceptual; en un medidor práctico, el núcleo de hierro es estacionario, y los muelles espirales frontales y traseros llevan la corriente a la bobina, que se apoya en un bobbin rectangular. Además, los polos del imán permanente son arcos de un círculo.

El galvanómetro D'Arsonval es un amperímetro de bobina móvil. Utiliza deflexión magnética, donde la corriente que pasa a través de una bobina colocada en el campo magnético de un imán permanente hace que la bobina se mueva. La forma moderna de este instrumento fue desarrollada por Edward Weston y utiliza dos resortes en espiral para proporcionar la fuerza restauradora. El espacio de aire uniforme entre el núcleo de hierro y los polos del imán permanente hace que la desviación del medidor sea linealmente proporcional a la corriente. Estos metros tienen escalas lineales. Los movimientos básicos del medidor pueden tener una desviación de escala completa para corrientes de aproximadamente 25 microamperios a 10 miliamperios.

Debido a que el campo magnético está polarizado, la aguja del medidor actúa en direcciones opuestas para cada dirección de corriente. Por lo tanto, un amperímetro de CC es sensible a la polaridad en la que está conectado; la mayoría están marcados con una terminal positiva, pero algunos tienen mecanismos de centro cero y pueden mostrar corrientes en cualquier dirección. Un medidor de bobina móvil indica el promedio (media) de una corriente variable a través de él, que es cero para CA. Por esta razón, los medidores de bobina móvil solo se pueden usar directamente para CC, no para CA.

Este tipo de movimiento del medidor es extremadamente común tanto para los amperímetros como para otros medidores derivados de ellos, como voltímetros y óhmetros.

Imán móvil

Los amperímetros de imán móvil funcionan esencialmente con el mismo principio que la bobina móvil, excepto que la bobina está montada en la caja del medidor y un imán permanente mueve la aguja. Los amperímetros de imán móvil pueden transportar corrientes más grandes que los instrumentos de bobina móvil, a menudo varias decenas de amperios, porque la bobina puede estar hecha de un alambre más grueso y la corriente no tiene que ser transportada por las espirales. De hecho, algunos amperímetros de este tipo no tienen espirales en absoluto, sino que utilizan un imán permanente fijo para proporcionar la fuerza de restauración.

Electrodinámica

Un amperímetro electrodinámico utiliza un electroimán en lugar del imán permanente del movimiento d'Arsonval. Este instrumento puede responder tanto a la corriente alterna como a la continua y también indica el RMS real para CA. Consulte Vatímetro para conocer un uso alternativo de este instrumento.

Hierro en movimiento

Cara de un viejo amímetro de hierro móvil con su característica escala no lineal. El símbolo del ametro de hierro en movimiento está en la esquina inferior izquierda de la cara del medidor.

Los amperímetros de hierro móvil utilizan una pieza de hierro que se mueve cuando actúa sobre ella la fuerza electromagnética de una bobina fija de alambre. El medidor de hierro móvil fue inventado por el ingeniero austriaco Friedrich Drexler en 1884. Este tipo de medidor responde tanto a corrientes continuas como alternas (a diferencia del amperímetro de bobina móvil, que funciona solo con corriente continua). El elemento de hierro consta de una paleta móvil unida a un puntero y una paleta fija rodeada por una bobina. A medida que la corriente alterna o directa fluye a través de la bobina e induce un campo magnético en ambas paletas, las paletas se repelen entre sí y la paleta en movimiento se desvía contra la fuerza restauradora proporcionada por los resortes helicoidales finos. La desviación de un medidor de hierro en movimiento es proporcional al cuadrado de la corriente. En consecuencia, tales medidores normalmente tendrían una escala no lineal, pero las partes de hierro generalmente se modifican en forma para hacer que la escala sea bastante lineal en la mayor parte de su rango. Los instrumentos de hierro en movimiento indican el valor RMS de cualquier forma de onda de CA aplicada. Los amperímetros de hierro móvil se usan comúnmente para medir la corriente en circuitos de CA de frecuencia industrial.

Hilo caliente

Un amímetro de alambre caliente

En un amperímetro de hilo caliente, una corriente pasa a través de un hilo que se expande a medida que se calienta. Aunque estos instrumentos tienen un tiempo de respuesta lento y poca precisión, a veces se usaban para medir la corriente de radiofrecuencia. Estos también miden RMS real para una CA aplicada.

Digital

De la misma manera que el amperímetro analógico formó la base para una amplia variedad de medidores derivados, incluidos los voltímetros, el mecanismo básico para un medidor digital es un mecanismo de voltímetro digital, y otros tipos de medidores se construyen alrededor de esto.

Los diseños de amperímetros digitales utilizan una resistencia de derivación para producir un voltaje calibrado proporcional a la corriente que fluye. Luego, este voltaje se mide con un voltímetro digital, mediante el uso de un convertidor de analógico a digital (ADC); la pantalla digital está calibrada para mostrar la corriente a través de la derivación. Dichos instrumentos a menudo se calibran para indicar el valor RMS solo para una onda sinusoidal, pero muchos diseños indicarán RMS real dentro de las limitaciones del factor de cresta de la onda.

Integrando

Un medidor de corriente integrado calibrado en horas de Ampere o carga

También existe una variedad de dispositivos denominados amperímetros integradores. En estos amperímetros se suma la corriente con el tiempo, dando como resultado el producto de corriente por tiempo; que es proporcional a la carga eléctrica transferida con esa corriente. Estos se pueden usar para medir la energía (la carga debe multiplicarse por el voltaje para generar energía) o para estimar la carga de una batería o un capacitor.

Picoamperímetro

Un picoamperímetro, o picoamperímetro, mide una corriente eléctrica muy baja, generalmente desde el rango de picoamperios en el extremo inferior hasta el rango de miliamperios en el extremo superior. Los picoamperímetros se utilizan cuando la corriente que se mide está por debajo de los límites de sensibilidad de otros dispositivos, como los multímetros.

La mayoría de los picoamperímetros utilizan un "cortocircuito virtual" técnica y tienen varios rangos de medición diferentes entre los que se debe cambiar para cubrir múltiples décadas de medición. Otros picoamperímetros modernos usan compresión logarítmica y un "sumidero de corriente" método que elimina el cambio de rango y los picos de voltaje asociados. Se deben observar consideraciones especiales de diseño y uso para reducir la corriente de fuga que puede inundar las mediciones, como aisladores especiales y pantallas accionadas. El cable triaxial se usa a menudo para conexiones de sonda.

Solicitud

Los amperímetros deben conectarse en serie con el circuito a medir. Para corrientes relativamente pequeñas (hasta unos pocos amperios), un amperímetro puede pasar toda la corriente del circuito. Para corrientes directas más grandes, una resistencia de derivación transporta la mayor parte de la corriente del circuito y una pequeña fracción conocida con precisión de la corriente pasa a través del movimiento del medidor. Para los circuitos de corriente alterna, se puede usar un transformador de corriente para proporcionar una pequeña corriente conveniente para impulsar un instrumento, como 1 o 5 amperios, mientras que la corriente primaria a medir es mucho mayor (hasta miles de amperios). El uso de un transformador de derivación o corriente también permite la ubicación conveniente del medidor indicador sin necesidad de tender conductores de circuito pesados hasta el punto de observación. En el caso de corriente alterna, el uso de un transformador de corriente también aísla el medidor de la alta tensión del circuito primario. Una derivación no proporciona tal aislamiento para un amperímetro de corriente continua, pero donde se usan voltajes altos, puede ser posible colocar el amperímetro en el "retorno" lado del circuito que puede estar a bajo potencial con respecto a tierra.

Los amperímetros no deben conectarse directamente a través de una fuente de voltaje, ya que su resistencia interna es muy baja y fluiría un exceso de corriente. Los amperímetros están diseñados para una baja caída de voltaje en sus terminales, mucho menos de un voltio; las pérdidas adicionales del circuito producidas por el amperímetro se llaman su "carga" en el circuito medido (I).

Los movimientos de medidor ordinarios de tipo Weston pueden medir solo miliamperios como máximo, porque los resortes y las bobinas prácticas solo pueden transportar corrientes limitadas. Para medir corrientes más grandes, se coloca una resistencia llamada derivación en paralelo con el medidor. Las resistencias de las derivaciones están en el rango de enteros a fracciones de miliohmios. Casi toda la corriente fluye a través de la derivación y solo una pequeña fracción fluye a través del medidor. Esto permite que el medidor mida grandes corrientes. Tradicionalmente, el medidor utilizado con una derivación tiene una desviación de escala completa (FSD) de 50 mV, por lo que las derivaciones suelen estar diseñadas para producir una caída de voltaje de 50 mV cuando transporta su corriente nominal completa.

Principio de conmutación Ayrton shunt

Para hacer un amperímetro de múltiples rangos, se puede usar un interruptor selector para conectar una de varias derivaciones a través del medidor. Debe ser un interruptor de conexión antes de la interrupción para evitar sobretensiones de corriente dañinas a través del movimiento del medidor al cambiar de rango.

Un arreglo mejor es la derivación de Ayrton o derivación universal, inventada por William E. Ayrton, que no requiere un interruptor de conexión antes de la interrupción. También evita cualquier imprecisión debido a la resistencia de contacto. En la figura, suponiendo por ejemplo un movimiento con un voltaje de escala completa de 50 mV y rangos de corriente deseados de 10 mA, 100 mA y 1 A, los valores de resistencia serían: R1=4,5 ohmios, R2=0,45 ohmios, R3=0,05 ohmios. Y si la resistencia de movimiento es de 1000 ohmios, por ejemplo, se debe ajustar R1 a 4.525 ohmios.

Las derivaciones conmutadas rara vez se usan para corrientes superiores a 10 amperios.

Amímetro de centro cero

Los amperímetros de centro cero se utilizan para aplicaciones que requieren que la corriente se mida con ambas polaridades, comunes en equipos científicos e industriales. Los amperímetros de centro cero también se colocan comúnmente en serie con una batería. En esta aplicación, la carga de la batería desvía la aguja hacia un lado de la escala (comúnmente, el lado derecho) y la descarga de la batería desvía la aguja hacia el otro lado. Un tipo especial de amperímetro de centro cero para probar corrientes altas en automóviles y camiones tiene una barra magnética pivotante que mueve el puntero y una barra magnética fija para mantener el puntero centrado sin corriente. El campo magnético alrededor del cable que transporta la corriente a medir desvía el imán en movimiento.

Dado que la derivación del amperímetro tiene una resistencia muy baja, conectar por error el amperímetro en paralelo con una fuente de voltaje provocará un cortocircuito y, en el mejor de los casos, quemará un fusible, lo que posiblemente dañe el instrumento y el cableado, y exponga a un observador a lesiones.

En los circuitos de CA, un transformador de corriente convierte el campo magnético alrededor de un conductor en una pequeña corriente de CA, normalmente 1 A o 5 A a la corriente nominal completa, que se puede leer fácilmente con un medidor. De manera similar, se han construido amperímetros sin contacto CA/CC precisos utilizando sensores de campo magnético de efecto Hall. Un amperímetro de abrazadera portátil de mano es una herramienta común para el mantenimiento de equipos eléctricos industriales y comerciales, que se engancha temporalmente sobre un cable para medir la corriente. Algunos tipos recientes tienen un par paralelo de sondas magnéticamente blandas que se colocan a ambos lados del conductor.