AMPLIACIÓN DEL RANGO DE UN AMPERÍMETRO Y UN VOLTÍMETRO

OBJETIVOS

Aprender a ampliar la escala de un voltímetro atravez de resistencias en serie

Aprender a ampliar la escala de un amperímetro atravez de resistencias en paralelo

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

AMPLIACIÓN DEL RANGO DE UN AMPERÍMETRO

Ampliación de alcance de amperímetros. El amperímetro es un aparato o instrumento que permite medir la intensidad de corriente eléctrica, presentando directamente sobre su escala calibrada las unidades empleadas para ello denominadas amperios o bien fracciones de amperios.

Su utilización es muy amplia ya que con independencia de su propia aplicación directa de medida, también se emplea como base para la construcción de otros instrumentos, como voltímetros, óhmetros, etc. Su funcionamiento está basado en uno de los principios fundamentales del electromagnetismo que en su forma más simple nos indica que cualquier corriente eléctrica pasa por un hilo conductor produce un campo magnético alrededor del mismo (similar al campo magnético de un imán),cuya fuerza depende de la intensidad de la corriente que circule.

Para este tipo de instrumentos el acopamiento de la resistencia para ampliar su alcance es en paralelo y la resistencia a conectarse toma el nombre de Resistencia Shunt.

Para iniciar el cálculo de la ampliación del rango de un amperímetro tomaremos en cuenta la tensión que pasa por la Resistencia Shunt (Rs), para la plena desviación de la aguja, la misma que será:

Cs = Rsx(I1-I)

Donde:

Rs=Resistencia Shunt, en ohmios

I1=Intensidad que se debe medir

I= Intensidad máxima que soporta el aparato

Considerando la tensión que pasan en las resistencias del aparato y shunt tenemos la siguiente igualdad:

Rs (I1-I)=IxRa

Despejando Rs de esta ecuación tenemos:

Rs=Ix RaI 1−I

Dónde:

Rs= Resistencia Shunt, en ohmios

Ra= Resistencia interna del aparato, en ohmios

I= Intensidad máxima del aparato, en amperios

I1=Intensidad que se desea obtener en el aparato, en amperios

Esta fórmula es la que se emplea para halla la Resistencia Shunt para ampliar el rango de un amperímetro

Para efectuar las lecturas correctas del instrumento es necesaria considerar un coeficiente (K) para estas medidas, la misma que se obtiene de dividir la intensidad que se desea obtener (I1) entre la intensidad del aparato (I)

K=I 1I

Dónde:

K= es el coeficiente por el que tiene que multiplicarse la lectura que indica el aparato para obtener la magnitud de medida utilizando la Rs.

AMPLIACIÓN

Se dijo anteriormente que el alcance de todo instrumento puede ser ampliado. En el caso del amperímetro se emplea, a tal fin, un dispositivo llamado “shunt” (en inglés, derivación)

Este permite que sólo atraviese la bobina móvil del instrumento, aquella corriente que el mismo puede tolerar.

Un shunt está conformado por una resistencia de precisión de valor óhmico menor que el presentado por la bobina móvil del instrumento, permitiendo, de esta forma, que la otra porción de corriente no tolerada, pase a través de él.

Las características del shunt dependen del rango de medida que se necesite y que viene determinado en la escala del amperímetro, por lo tanto, para cambiar la escala de medida de un instrumento, bastaría cambiar el shunt ya que la bobina sería la misma.

AMPLIACIÓN DEL RANGO DE UN VOLTÍMETRO

Entre los aparatos de medida eléctrica que más se usan en los talleres de reparaciones eléctricas tenemos: el miliamperímetro, el amperímetro y el voltímetro. Todos estos aparatos tienen en su interior una bobina interna, la que tiene una determinada resistencia óhmica. Esta resistencia interna se debe conocer cuando se quiere aumentar el rango de medida de un instrumento

Si se quiere aumentar la amplitud de un Voltímetro, debemos de realizar los siguientes cálculos:

Datos que se deben tener en cuenta

Para iniciar el cálculo para la ampliación del rango de un instrumento se debe de tener presente los siguientes datos:

Ra= Resistencia interna del aparato

Rm = Resistencia multiplicadora que se conecta en serie con la Ra

e = Voltaje máximo del aparato

E= Voltaje que se desea obtener del aparato

Como en ambos casos la desviación de la aguja es la misma, la intensidad de corriente que pasa por la resistencia interna será idéntica, veamos la caída de tensión en cada una de las resistencias internas del aparato

La caída de tensión en Ra será igual a = (e)

La caída de tensión en Rm será igual a = (E-e)

Ahora bien, si sabemos que la intensidad es la misma en la resistencia interna del aparato, hagamos una comparación de ambas fórmulas: considerando la intensidad de la resistencia a medirse y tenemos:

It=eRa

: E−eRm

De esta igualdad despejamos la Rm (resistencia multiplicadora), que debe conectarse en serie con la resistencia interna del aparato. Basándonos en el principio de que “El producto de los medios es igual al producto de los extremos”, tomamos los extremos conocidos; Ra que multiplica a la diferencia (E-e), todo ello sobre (e), que es el único medio conocido, se obtiene el siguiente resultado.

Rm = Ra (E−e)e

Donde

Rm= es resistencia multiplicadora

Ra= es resistencia del aparato

e = es la lectura máxima en voltios para la cual se ha construido el aparato

E =es la lectura en voltios que deseamos alcanzar del aparato

Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo; esto es, en derivación sobre los puntos entre los que tratamos de efectuar la medida. Esto nos lleva a que el voltímetro debe poseer una resistencia interna lo más alta posible, a fin de que no produzca un consumo apreciable, lo que daría lugar a una medida errónea de la tensión. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, estarán dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras, con lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue el momento necesario para el desplazamiento de la aguja indicadora. En la actualidad existen dispositivos digitales que realizan la función del voltímetro presentando unas características de aislamiento bastante elevadas empleando complejos circuitos de aislamiento.

En algunos casos, para permitir la medida de tensiones superiores a las que soportarían los devanados y órganos mecánicos del aparato o los circuitos electrónicos en el caso de los digitales, se les dota de una resistencia de elevado valor colocada en serie con el voltímetro, de forma que solo le someta a una fracción de la tensión total.

AMPLIACIÓN

Al igual que en los amperímetros podemos ampliar el campo de medida de un voltímetro. En este caso para conseguir dicha ampliación tenemos que

conectar resistencias en serie. Sin ninguna resistencia adicional estos voltímetros pueden medir valores de hasta 0,1 V. Podemos llegar a medir valores de hasta 750 V pero, a partir de los 500 V aproximadamente, debemos colocar las resistencias adicionales fuera del voltímetro para que no se produzcan errores debido al calentamiento. Todo lo dicho hasta ahora se refiere a la medida de tensiones en corriente continua, pero también podemos medir tensiones en corriente alterna introduciendo pequeños cambios. Al igual que los amperímetros, con este mismo tipo de medida la forma más sencilla es añadir un rectificador.

A continuación se ofrece la fórmula de cálculo de la resistencia serie necesaria para lograr esta ampliación o multiplicación de escala:

Ra = Rv (N -1)

Dónde:

Ra = valor de la resistencia de ampliación del voltímetro.

Rv = resistencia interna del voltímetro (Este valor es habitualmente conocido o, fácilmente calculable)

N = es el factor de multiplicación (N≠1

III. ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS E INSTRUMENTOS

UN AUTOTRANSFORMADOR

El autotransformador es un transformador de características especiales. En efecto, puede ser concebido como un transformador con un solo bobinado con sus dos bornes accesibles y con un tercer borne accesible que conecta a una toma intermedia del bobinado y el cuarto borne común a alguno de los dos primeros o, lo que sería equivalente, dos bobinados conectados de tal manera que tienen dos de sus cuatro bornes accesibles conectados en común. La principal ventaja de este tipo de transformadores radica en que se puede disminuir el tamaño y los materiales utilizados respecto al transformador clásico para igual potencia nominal implicando una disminución sustancial en los costos del equipo, aunque con algunas desventajas que deben ser tenidas en cuenta al momento de seleccionar la aplicación de esta máquina.

UN VOLTÍMETRO CON ESCALA

Dan una indicación numérica de la tensión, normalmente en una pantalla tipo LCD. Suelen tener prestaciones adicionales como memoria, detección de valor de pico, verdadero valor eficaz (RMS), autorrango y otras funcionalidades.

El sistema de medida emplea técnicas de conversión analógico-digital (que suele ser empleando un integrador de doble rampa) para obtener el valor numérico mostrado en una pantalla numérica LCD.

UN AMPERÍMETRO CON ESCALA

Amperímetro es un aparato o instrumento que permite medir la intensidad de corriente eléctrica, presentando directamente sobre su escala calibrada las unidades empleadas para ello denominadas amperios o bien fracciones de amperios, la medida deseada.

PANEL DE PRUEBAS

IV. PROCEDIMIENTO

PARA EL AMPERÍMETRO

Intentemos aumentar la ampliación del rango de un amperímetro que tiene las siguientes características.

Corriente inicial=250mA

Corriente ampliada=400mA

Resistencia interna=12Ω

RESISTENCIA DE SHUNT

CS=RS (I1-I2)

Dónde:

RS= I∗RaI 1−I

RS=resistencia de shunt

Ra=resistencia interna del aparato

I=intensidad máxima del aparato

I1=intensidad que se debe de obtener del aparato

Reemplazando los datos tenemos lo siguiente:

RS= 250mA∗12Ω400mA−250mA

RS=20Ω

Su factor lo obtenemos dividiendo la corriente ampliada entre la corriente inicial entonces se obtiene lo siguiente.

Factor=1.6

PARA EL VOLTÍMETRO

Intentemos aumentar la ampliación del rango de un voltímetro que tiene las siguientes características.

RESISTENCIA INTERNA=3750Ω

TENSIÓN INICIAL=150V

TENSIÓN AMPLIADA=300V

i1= eRi=

E−eRm

Entonces

Rm= (E−e )∗Rne

Calculando la resistencia multiplicadora

Rm=(300−150 )∗3750

150=3750Ω

Por lo tanto su factor lo obtenemos dividiendo la tensión ampliada entre la tensión inicial haciendo el cálculo se obtuvo el siguiente resultado.

Factor= 2

V. DATOS EXPERIMENTALES

Para el voltímetro se obtuvo la siguiente tabla número 1.

DATOS MEDIDA DEL VOLTÍMETRO(V)

MEDIDA MULTIPLICADA POR K (V)

MEDIDA REAL(V)

ERROR ABSOLUTO(V)

ERROR RELATIVO (%)

1 72 144 141 3 2.1272 120 240 236 4 1.6953 146 292 289 4 1.384

Para el amperímetro se obtuvo la siguiente tabla número 2.

DATOS MEDIDA DEL AMPERÍMETRO(mA)

MEDIDA MULTIPLICADA POR K (mA)

MEDIDA REAL(mA)

ERROR ABSOLUTO(mA)

ERROR RELATIVO (%)

1 159 254.4 253 1.4 0.5532 206 329.6 335 -5.4 1.6123 238 380.8 388 -7.2 1.856

VI. CONCLUSIONES

Para ampliar la escala del voltímetro se conecta resistencias en serie con este instrumento de medición, la resistencia va a hacer que la mayor caída de tensión ocurra en esa resistencia y una cantidad mucho menor lo haga en el voltímetro.

Para ampliar la escala del amperímetro se conecta una resistencia 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

Dado que la medida de las resistencias vienen ya establecidas, el cálculo se hará a partir de las que están en el mercado y por lo tanto la resistencia que se obtendrá será cercana a la que se quiere obtener

VII. OBSERVACIONES

La escala que se quiere ampliar no podrá ser la que realmente se quiere ya que el valor de las resistencias vienen ya de fábrica por lo que se tendrá que trabajar en base a esas y nos dará un valor cercano

VIII. SUGERENCIAS

Cuando se esté probando el circuito aplicándole corriente tener cuidado de no tocarlo ya que podrían ser nocivas para las personas

Cuando se esté midiendo con el instrumento de medición tratar de estar bien posicionado para así no caer en error de paralelaje.

IX. BIBLIOGRAFÍA

http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//3000/3086/html/221_ampliacin_de_escala_mediante_resistencia.html

http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//3000/3086/html/211_ampliacin_de_escala_mediante_resistencia_en_paralelo.html