Calibrador Confie en Sus Propias Mediciones

8/15/2019 Calibrador Confie en Sus Propias Mediciones

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ROYECTO TÉCNICA DE MEDIDA

34 elektor, electronics worldwide - 5/2009

CalibradorConfíe en sus propiasmedidasPor el Dr. Thomas Scherer (Alemania)

La oferta de multímetros digitales

asequibles es enorme,

lo que hace que casi

cualquier electrónico tenga un

instrumento de medida de este tipo. Pero, ¿es real

la precisión descrita en el manual de instrucciones? ¿Seguirá siendo

la misma en unos cuantos años?

Por menos de 20 € podemos conse-guir un multímetro con una precisiónbásica de < 1 % - suponiendo queconfiamos en la información del fabri-cante. Y por debajo de los 100 € exis-ten modelos con un error inferior ala mitad del uno por ciento. Bien escierto que en el mercado están dis-ponibles aparatos por mucho menosdinero, pero también nos asaltará

la duda acerca de la calidad de losmismos. Además, en los aparatos demedida asequibles nunca encontrare-mos información sobre su estabilidada largo plazo. Si tenemos por eslo-gan “¡confiar está bien, pero calibrares mejor!”, un circuito que nos per-mitiese probar y en caso necesarioreajustar nuestra instrumentación demedida sería gratamente recibido.

Referencias de tensiónLo que necesitamos para calibrar unaparato de medida es una referencia.Uno mide el valor de dicha referencia yajusta posteriormente el instrumento demedida dentro de las posibilidades decalibración (véase figura 1) hasta que semuestre el valor nominal de ésta. En losmultímetros esto se hace principalmentepor tensión, y a veces por corriente. Un

Figura 1. Un sencillo multímetro digital de 25 euros abierto: con el potenciómetro marcado con una flecha roja

podemos calibrar las medidas.

Figura 2. El funcionamiento interno de un diodo Zener de

precisión LM4050.

080894 - 12

LM4050


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circuito apropiado suministrará una ten-sión de referencia con la suficiente exac-titud. Por suerte existen hoy en día cir-cuitos integrados asequibles con funciónde referencia de tensión de alta preci-sión. Tras examinar la oferta, optamospor el LM4050 de National Semicon-ductor [1]. Por un precio inferior a cincoeuros, el LM4050A-4.1 ofrece en fun-cionamiento una precisión del 0,1 %.El integrado es utilizado como si de undiodo Zener se tratase, y a eso se debeque del encapsulado SMD-SOT23 sólose conecten dos pines. El circuito básicode este diodo Zener activo de precisiónse muestra en la figura 2. Ahora podemos conectar simplementeun LM4050 con una resistencia en se-rie a una tensión de alimentación más

alta y medir la tensión de referenciaen el integrado. Podemos despreciarla carga de la resistencia de entradaen un aparato de medida digital, peropodría ser desde 10 MΩ a 20 MΩ fácilmente. Entonces el artículo se ha-bría terminado ya en este punto...

Tensiones de referencia

Sin embargo, no iba resultar tan fácilconseguir un circuito universal de cali-bración. Las tensiones de referencia dealta precisión tienen típicamente valo-res de 1,024/1,2/1,24/2,0/2,048/2,5/3,0/3,3/4,096/5,0/10,0 V – aun-que no todos ellos sirven realmentepara la calibración de los aparatos demedida. Para los ya raros instrumentos

analógicos con aguja “suave” los valo-res aptos de ajuste serán 1/2,5/5 V. Noobstante, con aparatos digitales el valorde medida deberá rondar un poco pordebajo del “fin de la escala” (el máximo

posible a mostrar). La elección del valorde referencia apropiado se rige por lassiguientes consideraciones:Un multímetro con pantalla de 3½dígitos puede mostrar valores en unrango de 0 a 1999. Instrumentaciónde medida mejor con 3¾ ofrece unrango de 0 a 3999. El hecho de queel valor mostrado se desborde si utiliza-mos referencias de 2,0 o 4,0 con apa-ratos de medida simples de configura-ción manual tampoco es tan terrible.Podemos ajustar el dispositivo de modoque la muestra oscile entre “1.999” o”3.999” y el límite de la escala. El resul-tado es suficientemente exacto aún así.Si la elección de rango es automática,el instrumento de medida opta por ele-var la escala a entre 19,99 V o 39,99 V.

Entonces el valor mostrado será de“02.00” o “04.00”. La imprecisión deeste último caso sólo se elevará hasta1/200 = 0,5 % o 1/400 = 0,25 %. Esobasta si consideramos que la exactitudde nuestra referencia es del 0,1 %.Tras probar varios aparatos de medidacon función autorango, se comprobóque no todos los modelos permanecíanestables a tensiones de referencia de1,95 V o 3,95 V en el rango bajo demedida hasta 1,999 V o 3,999 V. Sinembargo, todos se mantenían con unatensión de referencia de 1,9 V o 3,9 V, yéste es el motivo de que se hayan elegidoambos valores como referencias para elCalibrador. El error de medida debidoa la imprecisión en la escala se elevaaceptablemente a 1/1900 = 0,053 % o

1/3900 = 0,026 %.

Circuito de precisión

Uno puede obtener las referencias de1,9 V o 3,9 V citadas anteriormente,mediante divisores de tensión con resis-tencias de precisión de forma relativa-mente fácil, a partir de una tensión dereferencia de 4,096 V. Por este motivose ha elegido para IC3 en la figura3 el integrado para tensiones de refe-rencia LM4050A-4.1. La tensión de ali-mentación para la referencia es regu-lada por IC1 a 6 V. Mediante el puenterectificador B1 el circuito está protegidoen polaridad, y puede ser alimentado atensiones alternas en un rango de 6 a18 V. Como alternativa a la fuente de

Datos técnicos• Precisión del 0,1 % a 25°C

• Estabilidad respecto a latemperatura de 50 ppm/°C

•

Tensión de salida en vacío de 3,9 V/1,9 V

• Corriente de 3,9 mA/1,9 mA

• Alimentación de 6 a 18 V ≈ o porpila de 9 V

• Consumo de 5 mA

B1

B40S

AC1

AC2

C1

100µ

35V

C2

10µ

35V

78L06SMD

IC1

8 1

2 3 6 7

R1

1k5

R2

3k9

LM4050

IC3 1

2

3C3

100n

R3A

6 8 k

R4A

2 k 7

JP1

SW1

IC2

8

4

6

5

7IC2.B

2

3

1IC2.A

C4

100n

R5

1 k

*

* *

*

6 V . . .

1 8 V

U+

U-

I+

I-

080894 - 11IC2 = LT1490

3V9 1V9

R3B

1 0 k*

R4B

6 8 0 Ω*

C5

10n

C6

10n

*= 0%1

Figura 3. El circuito del Calibrador consta de regulador de tensión, referencia, divisor de tensión y un operacional doble como buffer y conversor de tensión a corriente.


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alimentación (conectada) el circuito tam-bién permite una pila de 9 V debido a subajo consumo de corriente.Para que podamos calibrar aparatos detanto 3½ como 3¾ de dígitos, la ten-sión de referencia es intercambiablemediante el jumper JP1. Por R1 circulauna corriente de 1,27 mA. Dependiendode la posición de JP1, IC3 suministrauna corriente de 1,22 mA o 0,71 mA,que se encuentra en la mitad de la curvacaracterística del integrado.Ya que las resistencias del 0,1 % nosiempre están disponibles en la serieE96, R3 y R4 han sido divididas. Esto nosólo tiene la ventaja de manejar valoresde la serie E12, sino que además podre-mos ajustar muy precisamente la tensióndeseada.

La tensión de referencia resultante es lle-vada tras un filtro paso bajo (C4) a laentrada no inversora de IC2A. Este ope-racional conectado como buffer ofrece

una baja tensión de offset a la entrada,típicamente de 0,2 mV, así como elconocido “rail-to-rail” tanto en entradascomo en salidas [2]. En la última etapacobra relevancia un segundo operacio-nal, IC2B, que gracias a R5 actúa comoun convertidor de tensión a corriente. ElCalibrador no sólo suministra una ten-sión de referencia en vacío, sino tam-bién dependiendo de la posición de JP1corrientes de referencia de 1,9 mA o3,9 mA. Uno puede comprobar tras cali-brar la tensión si la medida de corrientees igualmente correcta. Podría ocurrirque el fabricante no haya sido precisa-mente exacto en cuanto a la corriente...Con C5 y C6 se filtran las posibles seña-les de HF. Y es que el laboratorio delautor está situado, de hecho, en las cer-

los potenciómetros de la tarjeta del mul-tímetro (como se muestra en la figura 1)ajustamos el valor correcto que apareceen el display. Calibrar la tensión en unasola escala debería ser suficiente, puesen la serie de resistencias internas paracada rango del aparato de medida, difí-cilmente podemos cambiar algo más. Laprecisión base del instrumento se calibrafácilmente. Con la corriente de referen-cia podremos comprobar si la exactitudde ésta es también buena. Aunque nopodamos cambiar el resultado dema-siado, nos puede servir de prueba parasaber la fiabilidad de nuestro instru-mento de medida. Esto último tambiénsirve en rangos de tensiones y corrientesalternas. Y para comprobar la medidade resistencias –lo advertimos por ter-

cera vez– debemos utilizar una resisten-cia de precisión, que puede ser de 1,8 ko 3,9 k, como la descrita en el listado decomponentes.

Variantes

En principio el circuito también deberíafuncionar correctamente con un regula-dor de tensión de 5 V en IC1. En estecaso R1 tendría que ser reducida a820 Ω. Esta modificación es común si noqueremos calibrar ningún instrumentoen rangos de corriente, porque a 4 mAtenga una caída de tensión de más de400 mV. El autor ha encontrado un apa-rato de 3¾ dígitos, que a esa corrientetiene una (incomprensible) caída de ten-sión de casi 1 V. En ese caso la tensióna la salida de IC2B no es suficiente conalimentación de 5 V. Sin embargo, deacuerdo con el esquema y los compo-nentes, 6 V deberían bastar para prác-

canías de unas antenas emisoras y dosestaciones de radio móviles...

Montaje y utilización

Debido a que IC3 sólo está disponibleen formato SMD, se ha optado igual-mente por componentes SMD en todala tarjeta excepto para los dos conden-sadores electrolíticos y las resistenciasde precisión. Así la tarjeta es cuadrada,de 40 mm de lado, práctica y pequeña(figura 4). Para que puedan soldarsebien con las manos, R1 así como de C3a C6 tienen el relativamente gran for-mato SMD 1206. El autor ha probadoél mismo la soldadura manual de estosSMD: uno estaña tanto para los inte-grados como para B1 un nodo, coloca

el componente encima y lo sujeta conla uña, mientras que con la otra manocalienta con el soldador, de modo quese suelden el nodo y el pin. Tras apli-

car el soldador, el integrado se quedaráfijo y podremos soldar tranquilamenteel resto de pines. Antes debemos com-probar naturalmente que los integradosestén correctamente colocados.Tras el montaje y revisión de la tarjetavienen las pruebas: cuando el circuitoesté conectado a una tensión alternade 6 V a 18 V de al menos 10 mA oa una pila de 9 V, han de medirse enlas conexiones “U+” y “U-“ 1,900 V o3,900 V y en “I+” e “I-“ correspondien-temente 1,900 mA o 3,900 mA.Tan sencilla como este test es su utili-zación: simplemente abrimos la car-casa del aparato de medida a calibrar,conectamos la tensión del calibradoren la entrada de medida y fijamos laescala de medidas. Después mediante

La pila de Weston estándarEl Calibrador de tiempos pasados era la conocida “pila estándar“. Se trata de una pila

galvánica que de forma electroquímica suministraba una tensión relativamente inde-

pendiente de la temperatura. Fue inventada en 1893 por el físico americano Edward

Weston (1850–1936) y utilizada por primera vez en 1911, posteriormente sería llamada

“pila de Weston”.

Como toda pila galvánica, consta de dos electrodos y un electrolito. Los electrodos es-

tán formados por mercurio y una aleación de cadmio-mercurio (amalgama de cadmio),

el electrolito es una solución saturada de sulfato de cadmio (ver imagen). La pila de

Weston tiene a 20 °C una tensión nominal 1,01865 V, y su coeficiente de temperaturaes menor de 10-4 V/°C.

La foto de Staf Van Geste al comienzo del artículo muestra un ejemplar de la segunda

mitad del siglo pasado, que debería suministrar una tensión de 1,0193 V con una pre-

cisión del 1/10 % según la etiqueta. Quizá sea bastante más exacta que nuestra versión low-cost en silicio, pero también menos manejable, y

por encima de todo venenosa, frágil y cara.

+ –

HiloHilo

Arandela

de corcho Arandela

de corcho

Mercurio Amalgama de Cadmio

Pila estándar de Weston

Bulbo de cristal

CdSO4(solución de

sulfato de

Cadmio)

(solución de

sulfato de

Cadmio)CdSO4

Sulfato de

mercurio

Hg2SO4


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ticamente casi todos los casos. Quienaún así quiera abarcar los casos impro-

bables, entonces puede utilizar un puntode operación para IC1 de 8 V y sustituirR1 por 3k3. Entonces la mínima tensiónde alimentación deberá ser de 9 V.Para muchos propósitos una menor pre-cisión es más que suficiente. En estoscasos basta con la fabricación de claseB del LM4050 con una buena precisióndel 0,2 %. No obstante, este recorte sólo

nos ahorrará un euro. Como equivalentedel operacional doble LT1490 también

sirven los tipos OPA2343 de Burr-Browno AD822 de Analog Devices.Si queremos colocar el Calibrador enuna carcasa podemos instalar un inte-rruptor simple en los pines de JP1. Quienquiera tener a toda costa una salida de1V y 1 mA, puede utilizar en R3A unvalor 750 Ω y en R3B uno de 510 Ω.

(080894)

Enlaces y bibliografía[1] www.national.com/mpf/LM/LM4050.html

[2] www.linear.com/pc/productDetail.

jsp?navId=LT1490

Kalibrator 1.2

U+

U-

I-I+

3,9

1,9

© E l e k t o r

0 8 0 8 9 4 - 1

©Elektor 080894-1

1

2

3

R 4 B

6 8 0 *

R 3 A

6 8 k *

+

- ~

~

3,9

1,9

B 1

I C 1

C1

C2

JP1

AC1

AC2

U-

U+

I+ I-

IC2

R1

R2

R 3 B

C3

R

5

C4

IC3 C5

C6

R 4 A

Lista de materiales

Resistencias:R1 = 1k5, SMD R1206R2 = 3k9, 0,1%

R3A = 68 kΩ, 0,1%R3B = 10 kΩ, 0,1%R4A = 2k7, 0,1%R4B = 680 Ω, 0,1%R5 = 1 kΩ, 0,1%

Condensadores:C1 = 100 µF/35 V, electrolítico, verticalC2 = 10 µF/35 V, electrolítico, verticalC3, C4 = 100 nF, SMD C1206

C5 = 10 nF, SMD C1206C6 = 1 nF, SMD C1206

Semiconductores:B1 = B40S, puente rectificador SMD,

40 V/1 A IC1 = 78L05SMD, SO08IC2 = LT1490, SO08IC3 = LM4050A-4.1, SOT-23, por ejemplo

el Farnell 1468851

Varios:JP1 = conector de tres pines RM 2,54 mm

con jumperTarjeta EPS 080894-1

Figura 4. La tarjeta del Calibrador es muy compacta,

mide 40 mm x 40 mm.

Más información y pedidos en www.elektor.es/tienda

256 páginas • ISBN 978-0-905705-77-4

34,50€

Elektor International Media Spain, S.L.

Apartado de Correos 73

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