Voltímetro
Un voltímetro es un instrumento que se utiliza para medir la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito eléctrico. Está conectado en paralelo. Por lo general, tiene una alta resistencia, por lo que toma una corriente insignificante del circuito.
Los voltímetros analógicos mueven un puntero a lo largo de una escala en proporción al voltaje medido y se pueden construir a partir de un galvanómetro y una resistencia en serie. Los medidores que usan amplificadores pueden medir voltajes diminutos de microvoltios o menos. Los voltímetros digitales dan una visualización numérica del voltaje mediante el uso de un convertidor de analógico a digital.
Los voltímetros se fabrican en una amplia gama de estilos, algunos alimentados por separado (por ejemplo, por batería) y otros alimentados por la propia fuente de voltaje medida. Los instrumentos montados permanentemente en un panel se utilizan para monitorear generadores u otros aparatos fijos. Los instrumentos portátiles, generalmente equipados para medir también la corriente y la resistencia en forma de multímetro, son instrumentos de prueba estándar que se utilizan en trabajos eléctricos y electrónicos. Cualquier medida que se pueda convertir a un voltaje se puede mostrar en un medidor que esté adecuadamente calibrado; por ejemplo, presión, temperatura, flujo o nivel en una planta de proceso químico.
Los voltímetros analógicos de uso general pueden tener una precisión de un pequeño porcentaje de la escala completa y se usan con voltajes desde una fracción de voltio hasta varios miles de voltios. Los medidores digitales se pueden fabricar con alta precisión, generalmente mejor que el 1%. Los instrumentos de prueba especialmente calibrados tienen precisiones más altas, con instrumentos de laboratorio capaces de medir con precisiones de unas pocas partes por millón. Parte del problema de hacer un voltímetro preciso es la calibración para verificar su precisión. En los laboratorios, la celda de Weston se utiliza como voltaje estándar para trabajos de precisión. Las referencias de voltaje de precisión están disponibles basadas en circuitos electrónicos.
Símbolo esquemático
En los diagramas de circuitos, un voltímetro se representa con la letra V en un círculo, con dos líneas emergentes que representan los dos puntos de medición.
Voltímetro analógico
- El alambre rojo lleva la corriente a medir.
- La primavera restauradora se muestra en verde.
- N y S son los polos norte y sur del imán.
Se puede usar un galvanómetro de bobina móvil como voltímetro insertando una resistencia en serie con el instrumento. El galvanómetro tiene una bobina de alambre fino suspendida en un fuerte campo magnético. Cuando se aplica una corriente eléctrica, la interacción del campo magnético de la bobina y del imán estacionario crea un par que tiende a hacer girar la bobina. El par es proporcional a la corriente a través de la bobina. La bobina gira, comprimiendo un resorte que se opone a la rotación. La desviación de la bobina es, por lo tanto, proporcional a la corriente, que a su vez es proporcional al voltaje aplicado, que se indica mediante un puntero en una escala.
Uno de los objetivos de diseño del instrumento es perturbar el circuito lo menos posible, por lo que el instrumento debe consumir un mínimo de corriente para funcionar. Esto se logra mediante el uso de un galvanómetro sensible en serie con una alta resistencia, y luego todo el instrumento se conecta en paralelo con el circuito examinado.
La sensibilidad de dicho medidor se puede expresar como "ohmios por voltio", el número de ohmios de resistencia en el circuito del medidor dividido por el valor medido a escala completa. Por ejemplo, un medidor con una sensibilidad de 1000 ohmios por voltio consumiría 1 miliamperio a escala completa de voltaje; si la escala completa fuera de 200 voltios, la resistencia en los terminales del instrumento sería 200000 ohmios y a escala completa, el medidor consumiría 1 miliamperio del circuito bajo prueba. Para instrumentos de múltiples rangos, la resistencia de entrada varía a medida que el instrumento cambia a diferentes rangos.
Los instrumentos de bobina móvil con un campo magnético permanente responden solo a la corriente continua. La medición del voltaje de CA requiere un rectificador en el circuito para que la bobina se desvíe en una sola dirección. Algunos instrumentos de bobina móvil también se fabrican con la posición cero en el medio de la escala en lugar de en un extremo; estos son útiles si el voltaje invierte su polaridad.
Los voltímetros que funcionan según el principio electrostático utilizan la repulsión mutua entre dos placas cargadas para desviar una aguja unida a un resorte. Los medidores de este tipo consumen una corriente insignificante pero son sensibles a voltajes de más de 100 voltios y funcionan con corriente alterna o continua.
Voltímetro amplificado
La sensibilidad y la resistencia de entrada de un voltímetro se pueden aumentar si la corriente requerida para desviar la aguja del medidor es suministrada por un amplificador y una fuente de alimentación en lugar del circuito bajo prueba. El amplificador electrónico entre la entrada y el medidor brinda dos beneficios; Se puede usar un instrumento de bobina móvil resistente, ya que su sensibilidad no necesita ser alta, y la resistencia de entrada se puede hacer alta, reduciendo la corriente extraída del circuito bajo prueba. Los voltímetros amplificados suelen tener una resistencia de entrada de 1, 10 o 20 megaohmios, que es independiente del rango seleccionado. Una forma que alguna vez fue popular de este instrumento usaba un tubo de vacío en el circuito amplificador, por lo que se llamó voltímetro de tubo de vacío (VTVM). Estos casi siempre estaban alimentados por la corriente de la línea de CA local y, por lo tanto, no eran particularmente portátiles. Hoy en día, estos circuitos utilizan un amplificador de estado sólido que utiliza transistores de efecto de campo, por lo tanto, FET-VM, y aparecen en multímetros digitales portátiles, así como en instrumentos de banco y laboratorio. Estos reemplazaron en gran medida a los multímetros no amplificados, excepto en los rangos de precios más económicos.
La mayoría de los VTVM y FET-VM manejan mediciones de voltaje de CC, voltaje de CA y resistencia; Los FET-VM modernos agregan mediciones de corriente y, a menudo, también otras funciones. Una forma especializada de VTVM o FET-VM es el voltímetro de CA. Estos instrumentos están optimizados para medir voltaje de CA. Tienen un ancho de banda mucho más amplio y una mejor sensibilidad que un dispositivo multifunción típico.
Voltímetro digital
Un voltímetro digital (DVM) mide un voltaje de entrada desconocido al convertir el voltaje a un valor digital y luego muestra el voltaje en forma numérica. Los DVM generalmente se diseñan en torno a un tipo especial de convertidor analógico a digital llamado convertidor integrador.
La precisión de la medición del DVM se ve afectada por muchos factores, como la temperatura, la impedancia de entrada y las variaciones de voltaje de la fuente de alimentación del DVM. Los DVM menos costosos a menudo tienen una resistencia de entrada del orden de 10 MΩ. Los DVM de precisión pueden tener resistencias de entrada de 1 GΩ o más para los rangos de voltaje más bajos (por ejemplo, menos de 20 V). Para garantizar que la precisión de un DVM esté dentro de las tolerancias especificadas por el fabricante, debe calibrarse periódicamente con un estándar de voltaje como la celda Weston.
El primer voltímetro digital fue inventado y producido por Andrew Kay de Non-Linear Systems (y más tarde fundador de Kaypro) en 1954.
Los voltímetros de CA simples usan un rectificador conectado a un circuito de medición de CC, que responde al valor promedio de la forma de onda. El medidor se puede calibrar para mostrar el valor cuadrático medio de la forma de onda, suponiendo una relación fija entre el valor promedio de la forma de onda rectificada y el valor RMS. Si la forma de onda se aparta significativamente de la onda sinusoidal asumida en la calibración, el medidor será inexacto, aunque para formas de onda simples, la lectura puede corregirse multiplicándola por un factor constante. Temprano "verdadero RMS" Los circuitos usaban un convertidor térmico que respondía solo al valor RMS de la forma de onda. Los instrumentos modernos calculan el valor RMS calculando electrónicamente el cuadrado del valor de entrada, tomando el promedio y luego calculando la raíz cuadrada del valor. Esto permite mediciones RMS precisas para una variedad de formas de onda.
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