Instrumentos y aparatos de medida: Medida de intensidad, tensión y resistencia Podemos decir que en electricidad y electrónica las medidas que con mayor frecuencia se hacen son de intensidad, tensión y resistencia. A lo largo de este tema vamos a ver como se utilizan el amperímetro, el voltímetro y el óhmetro, aunque hoy en día debido a su versatilidad utilizamos habitualmente el polímetro que como su nombre indica un mismo aparato podrá funcionar como cualquiera de los anteriores e incluso incorporarán otras funciones. Imagen1: Polimetro digital. Fuente: Banco de imagenes del ITE. Licencia Creative Commons. En la siguiente dirección puedes encontrar referencias a aparatos de medida y sus características: Multímetro Rellena los huecos en blanco: Con un medimos la Enviar medimos la intensidad de corriente, con un voltímetro en bornes de un componente y con un óhmetro medimos la de un componente eléctrico o electrónico.
1. Medida de intensidad Para el buen funcionamiento de cualquier circuito eléctrico o electrónico es necesario conocer la electricidad que circula por el mismo. El aparato que vamos a utilizar será el amperímetro. Diremos por tanto que un amperímetro es el aparato destinado a medir la intensidad de corriente que circula por un circuito eléctrico. El amperímetro depende de la escala utilizada, así pues nos encontraremos con: Amperímetros magnetoeléctricos: estos aparatos tienen una bobina móvil que está fabricada con un hilo muy fino y las espiras, por donde va a circular la corriente que queremos medir, tienen un tamaño muy reducido. Por lo tanto, podemos decir que la intensidad de corriente, que va a poder medir un amperímetro cuyo sistema de medida sea magnetoeléctrico, va a estar condicionada por las características físicas de los elementos que componen dicho aparato. Mediremos valores de aproximadamente 100 miliamperios. Se utiliza principalmente en corriente continua. Amperímetro electromagnético: están constituidos por una bobina que tiene pocas espiras pero de gran sección. El intervalo de valores que abarca este tipo de amperímetros va desde los 0,5 A a los 300 A. Se puede medir con ellos tanto la corriente continua como la alterna. Siendo solo válidas las medidas de corriente alterna para frecuencias inferiores a 500 Hz. Amperímetro electrodinámico: están constituidos por una bobina fija y otra móvil. El rango de valores varía entre 0,5 A y 100 A. Amperímetro electrotérmico: este tipo de amperímetro actualmente está en desuso. El amperímetro se conecta en serie con el elemento a medir, si medimos corriente continua deberemos tener la precaución de conectar teniendo en cuenta la polaridad, por el polo positivo entrará la corriente y por el negativo saldrá. Este problema con los amperímetros digitales no lo tenemos, nos dará el valor indicándonos el signo negativo en el caso de haberlo colocado con la polaridad cambiada. El esquema de conexionado sería el siguiente, en este caso estaríamos midiendo la corriente que circula por la resistencia R1. Imagen 2: Conexión de un amperímetro. El amperímetro tiene que tener una bobina interna del menor valor posible, teóricamente nula, de lo contrario estaremos introduciendo un error en la medida. Cuando queremos medir intensidades mayores que el rango de medida de nuestro amperímetro debemos recurrir a diferentes técnicas que estudiaremos a continuación. Lo denominaremos ampliación de escala.
Recuerda que un amperímetro siempre se tiene que conectar en serie con el circuito. Si lo colocamos en paralelo, y debido a su baja resistencia, estaremos haciendo un cortocircuito con lo que podremos dañar el circuito o el propio amperímetro.
1.1. Ampliación de escala mediante resistencia en paralelo El método de la resistencia en paralelo consiste en colocar una resistencia de alta precisión de valor muy pequeño que colocaremos en paralelo con el amperímetro, con esto lo que conseguiremos será que casi toda la corriente se desvíe por esta resistencia y sólo una pequeña parte por el amperímetro. Tal y como puedes ver en la siguiente figura. Imagen 3: Ampliación de escala con resistencia en paralelo. Donde: I: intensidad que atraviesa el circuito. R: resistencia del circuito. Ia: intensidad que atraviesa el amperímetro. Ra: resistencia del amperímetro. Is: intensidad que pasa por la resistencia en paralelo. Rs: resistencia en paralelo. Observando el circuito puedes ver que: I=Ia + Is Ia*Ra = Is*Rs Operando con estas dos ecuaciones llegamos a que: Un amperímetro tiene una resistencia interna de 5Ω, la corriente necesaria para que se desvíe toda la escala es de 15 ma. Qué valor tiene que tener la resistencia que tenemos que colocar en paralelo para incrementar su escala hasta 50 A?
1.2. Ampliación de escala mediante transformador de intensidad Se utiliza para medir intensidades elevadas y alternas. El primario del transformador es recorrido por la intensidad a medir y en el secundario se conecta el amperímetro. Como ya sabes la relación existente entre la intensidad del primario (I1) y la del secundario (I2) viene dada por la siguiente expresión: Lo que conseguimos con el transformador es reducir la corriente que circula por el secundario pero siempre proporcional a la que circula por el primario. Como ya sabes, en la placa de características de cualquier máquina eléctrica figuran los valores nominales de la misma. Constructivamente los transformadores de intensidad se fabrican de modo que la intensidad que circula por el secundario para la mayoría de las aplicaciones sea de 5A. Además los transformadores se suelen fabricar con las siguientes intensidades primarias: 5 A, 10 A, 15 A, 20 A, 25 A, 30 A, 40 A, 50 A, 60 A, 75 A, 100 A, 125 A, 150 A, 200 A, 250 A, 300 A, 400 A, 500 A, 600 A, 750 A, 800 A, 1000 A, 1200 A, 1500 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A y 5000 A. El esquema será el siguiente: Imagen 4: Ampliación de escala mediante transformador de intensidad.
2. Medida de tensión Al igual que la intensidad es muy importante saber el valor en bornes de cualquier componente para el buen funcionamiento del circuito. El aparato que vamos a utilizar es el voltímetro. Nos encontramos con la siguiente clasificación atendiendo a su rango de medidas: Magnetoeléctricos: desde 10 mv hasta 1.000 V. Electromagnéticos: desde 5 V hasta 1.000 V. Electrodinámicos: desde 5V hasta 1.000 V. Electrostaticos: desde 1V hasta 1.000 KV. El voltímetro se conecta en paralelo con el elemento a medir, en el caso de medir tensiones en circuitos de corriente continua deberemos tener en cuenta la polaridad de forma que el polo positivo del voltímetro se conecte al punto de mayor potencial. Los voltímetros digitales indican valores negativos en caso de conectar la polaridad cambiada. En el siguiente esquema puedes observar cómo se coloca el voltímetro, en este caso en concreto el aparato nos estaría midiendo la caída de tensión en la resistencia R1. Imagen 5: Conexión de un voltímetro. En un voltímetro ideal la resistencia interna debería ser infinita para que no existiera derivación de corriente por el mismo, como eso es imposible se construyen voltímetros con resistencias internas superiores a varios cientos de miles de ohmios. A pesar de que esta resistencia es muy elevada introduce un pequeño error en la medida. Al igual que ocurría con el amperímetro, en ocasiones, la tensión a medir se sale de los rangos de medida por lo que tendremos que recurrir a diferentes técnicas que nos permitan ampliar la escala. Recuerda que un voltímetro siempre se tiene que conectar en paralelo con el elemento sobre el que queremos medir la caída de tensión. Si lo conectamos en serie, y debido al alto valor de su resistencia interna, el paso de corriente quedará interrumpido.
2.1. Ampliación de escala mediante resistencia Este método consiste en conectar con el voltímetro una resistencia en serie. Esta forma de medir la utilizaremos en circuitos de corriente continua de tensiones relativamente bajas, nunca superiores a los 1000 V. La resistencia va a ser de un valor muy elevado de forma que la mayor caída de tensión ocurra en esa resistencia y una cantidad mucho menor lo haga en el voltímetro. Donde: Imagen 6: Resistencia en serie con voltímetro. Iv: intensidad que circula por el voltímetro. V: Tensión de alimentación Rv: Resistencia voltimétrica. Vv: Tensión voltimétrica. Ra: Resistencia adicional. Va: Tensión en la resistencia adicional. No te será difícil llegar a los siguientes razonamientos: Y según la Ley de Ohm tenemos que: Dividiendo estas dos ecuaciones entre ellas llegamos a que: Que junto con la primera ecuación llegamos a que: Un voltímetro tiene una resistencia interna de 100 kω y su alcance es de 0 a 50 V, qué resistencia tendremos que colocar para aumentar el rango hasta los 200 V?
2.2. Ampliación de escala mediante transformador de tensión Para realizar este tipo de ampliación lo que tenemos que hacer es conectar los transformadores de tensión en paralelo, tal y como puedes ver en la figura. La relación de transformación va a ser la relación entre la tensión del primario y del secundario que a su vez también estará relacionado con el número de espiras de modo que: Imagen 7: Ampliación de escala de un voltímetro. En la placa de características del transformador siempre van a figurar las tensiones nominales del primario y del secundario. En los transformadores la tensión nominal del secundario está normalizada en 110 V mientras que los del secundario lo están en 110, 220, 380, 440, 2200, 3300, 5500, 6600, 11000, 13200, 16500, 22000, 27500, 33000, 44000, 55000, 66000, 110000, 132000, 220000 y 396000. Conociendo estos parámetros es fácil calcular el valor de las tensiones a medir.
3. Medida de resistencia En los circuitos electrónicos en los que abundan resistencias de diversos valores se hace necesario saber el valor de las mismas para que el circuito funcione de forma correcta. Sin embargo en electrotecnia no es habitual calcular el valor de las resistencias salvo en casos muy concretos como pueden ser las líneas de distribución o el bobinado de diferentes máquinas. El aparato que vamos a utilizar es el óhmetro, habitualmente consta de un aparato de medida magnetoeléctrico conectado en serie con una batería de tensión constante y una resistencia variable y por supuesto de dos conectores. A la hora de utilizar un óhmetro tenemos que tener en cuenta las siguientes consideraciones: No deben emplearse nunca en circuitos bajo tensión. Las resistencias a medir que formen parte del circuito deben desconectarse, podrían dar lugar a medidas incorrectas. La tensión propia del aparato podría causar daños a los diferentes componentes del circuito. Las conexiones no se deben tocar con las manos debido a que alteraríamos la resistencia a medir, nuestra resistencia quedaría en paralelo con la resistencia que se pretende medir. El aparato tiene que estar calibrado. Para ello las puntas de prueba deben ponerse en contacto, lo cual significa poner un cortocircuito entre los terminales del aparato, esto implica que la resistencia conectada externamente al óhmetro es nula en estas condiciones, y por lo tanto la aguja debe marcar cero ohmios. Imagen 8: Ohmetro. Fuente: Banco de imágenes del Ite. Licencia Creative Commons.
3.1. Lectura directa Es el método más rápido y más sencillo de todos, consiste en utilizar el ohmímetro, como su nombre indica, de forma directa. Una vez puesto a cero, tal y como se explicó anteriormente, se procede a realizar la medición. El instrumento está compuesto por una batería (con resistencia interna) y una resistencia variable, el circuito podría ser como el de la figura. Imagen 9: Esquema de un ohmetro. Si cerramos el interruptor J la resistencia de carga Rc queda en cortocircuito por lo tanto nos quedará la resistencia interna del instrumento Ri y la resistencia variable, llegaremos a que: Ahora suponemos que abrimos el interruptor, tenemos que: Realizando el cociente entre ambas expresiones llegamos a que: La medida de las intensidades se traduce en dos diferentes indicaciones sobre la escala del aparato. Ro va a ser una resistencia variable que permitirá el ajuste a cero. Utilizando el método de la lectura directa podemos también determinar la continuidad de un conductor y poder determinar si está cortado o no. En el caso de estar cortado nos indicará una resistencia de infinito, en caso contrario nos indicará un valor de cero. En algunos óhmetros digitales si existe continuidad el aparato emite un pitido.
3.2. Medida indirecta con voltímetro y amperímetro Como ya sabes, la tensión, la resistencia y la intensidad están relacionadas entre si mediante la Ley de Ohm, entonces sabiendo los valores de tensión e intensidad que circula por un componente obtendremos el valor de la resistencia. Podremos realizar dos tipos de montaje para calcular el valor de la resistencia. Montaje largo: El esquema es el que puedes ver en la figura. El cálculo no nos da el valor exacto de la resistencia de carga, sino la suma de la resistencia interna del amperímetro mas la resistencia que queremos medir, por lo tanto este montaje lo utilizaremos cuando la resistencia que queremos medir es mucho mayor que la interna del amperímetro. Imagen 10: Montaje largo. Montaje corto: El esquema es el de la figura. En este caso el cálculo obtenido tampoco coincide con el valor exacto de la resistencia de carga, sino la obtenida de la asociación en paralelo de la resistencia de carga y la del voltímetro, por lo tanto este montaje lo utilizaremos para medir resistencias de pequeño valor. Imagen 11: Montaje corto. Tanto en un montaje como en el otro tenemos el problema del calentamiento que se produce por la acción de la corriente al circular por la resistencia, por ese motivo el tiempo que tardemos en realizar la medida tiene que ser muy pequeño para evitar el error por este motivo.
3.3. Medida por comparación de tensiones Este método está basado en la comparación de la caída de tensión en dos resistencias que están conectadas en serie cuando por ellas circula la misma corriente. Se utiliza para valores bajos de resistencia, de lo contrario los errores falsearían la medida. Tenemos una resistencia patrón Rp de valor conocido y una resistencia de carga Rc de la que deseamos saber su valor, para ello realizamos el montaje de la figura donde tenemos un amperímetro conectado en el circuito y un voltímetro que podemos desplazar entre dos puntos para medir las caídas de tensión en cada una de las resistencias. El esquema del montaje sería el siguiente: Imagen 12: Medida por comparación de tensiones. Al conectar el voltímetro en la posición (1) obtendremos la caída de tensión que se produce en nuestra resistencia patrón de valor conocido. Al conectar en la posición (2) obtenemos que: Operando con ambas expresiones obtenemos que: Al medir una resistencia por el método de la comparación de tensiones vemos que su tensión es de 20 V. Si cuando está conectada a una resistencia calibrada de 12Ω el valor de su tensión es de 20,5 V, cuál es el valor de la resistencia de carga?
3.4. Medida por comparación de intensidades Este método consiste en comparar las intensidades que circulan por la resistencia de carga y la resistencia patrón, al igual que antes es necesario conocer el valor exacto de esa resistencia patrón. También tenemos que tener en cuenta la resistencia interna del instrumento, en este caso la denominaremos Ra. El esquema del montaje es el que se presenta a continuación: Imagen 13: Comparación de intensidades. Dependiendo de la posición del conmutador vamos a tener las siguientes ecuaciones: Igualando ambas expresiones y operando llegamos a que: Este método lo utilizaremos para valores de tensión elevados. Al utilizar el método de la medición de resistencias por comparación de intensidades observamos que la intensidad que circula por la resistencia de carga es de 0,6 A y a través de la resistencia patron de 7000 Ω circula una corriente de 0,58 A. Cuál será el valor de la resistencia de carga?
4. El polímetro Si recuerdas. empezábamos el tema diciendo que existían diferentes aparatos para efectuar medidas eléctricas pero que sin embargo hoy en día y debido a su versatilidad, se empleaban los denominados polímetros que engloban todos los aparatos de medida estudiados en este tema, e incluso los más modernos, otra serie de aplicaciones. Estos aparatos pueden ser analógicos o digitales, siendo estos últimos los que actualmente se utilizan con más frecuencia. A continuación puedes ver la imagen de uno de ellos: Imagen 14: Polímetro. Fuente:Banco de Imagenes del ITE. Licencia Creative Commons. Algunas normas básicas para la utilización de los polímetros serian las siguientes: Mantener en buen estado el aparato. Seguir las instrucciones del fabricante en cuanto al uso y mantenimiento. Asegurarse si vamos a medir corrientes alternas o continuas. Empezar a medir por la escala más alta e ir bajando gradualmente hasta conseguir una medida exacta. Previo a cualquier medida ajustar a cero el aparato. Conectar correctamente el aparato.