2.8: Instrumentación y Laboratorio
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En este punto necesitamos cambiar de marcha y enfocarnos en algunos aspectos prácticos, el tipo de cosas que podríamos tratar en un laboratorio eléctrico. Una cosa es discutir conceptos abstractos como voltaje y corriente, y otra muy distinta tratar con ellos en el mundo real.
Fuentes
Para empezar, consideremos la idea de fuentes de energía, es decir, dispositivos que puedan producir voltajes y/o corrientes confiables, estables y constantes. Como se mencionó anteriormente, una batería se aproxima a una fuente de voltaje ideal. El problema, por supuesto, es que las baterías solo duran un periodo finito de tiempo y su voltaje comienza a ceder después de ser utilizadas por un tiempo. Además, su voltaje es fijo y no ajustable. Una fuente de voltaje ajustable sería mucho más flexible en un laboratorio.
Para abordar este problema, la mayoría de los laboratorios eléctricos utilizan una fuente de voltaje de CC variable en lugar de baterías simples. Estas fuentes suelen ser ajustables de 0 a 25 voltios o más y pueden producir un amplificador de corriente o más. Un ejemplo se muestra en la Figura 2.8.1 . Esta unidad en particular tiene dos salidas principales más una tercera salida auxiliar. Todas las salidas son independientes, lo que significa que la tensión de cada una se puede establecer independientemente de las otras. Además, las dos salidas principales ofrecen limitación de corriente programable. Esta característica se puede considerar como un fusible programable o disyuntor: limita la cantidad de corriente que un circuito puede extraer a algún nivel preseleccionado. Cabe señalar que aunque una fuente esté clasificada para, digamos, dos amperios, eso sólo se refiere al valor máximo que se puede dibujar; esa no es la corriente que produciría por defecto.
Figura 2.8.1 : Un suministro de voltaje de CC ajustable de múltiples salidas.
Las fuentes de alimentación de salida múltiple generalmente están cableadas en forma “flotante”, lo que significa que el terminal negativo no está atado a tierra. Se presenta un conector separado (generalmente verde) que se ata de nuevo a tierra si es necesario. Tener suministros flotantes le da al usuario mucha más flexibilidad. Por ejemplo, dos fuentes flotantes se pueden cablear en secuencia para crear un solo voltaje más alto. También se pueden cablear para presentar un voltaje positivo y un voltaje negativo. La unidad que se muestra en la Figura 2.8.1 también cuenta con pantallas LED gemelas para voltaje y corriente para cada una de las salidas principales. Vale la pena señalar que la codificación de colores utilizada para los equipos electrónicos no es la misma que la utilizada para el cableado residencial en América del Norte. El estándar de la electrónica es que el terminal común o de tierra es negro mientras que el terminal “caliente” o positivo es rojo.
Si bien hay una gran cantidad de marcas y modelos de fuentes de voltaje CC de laboratorio asequibles disponibles, lo mismo no es cierto para las fuentes de corriente CC. Esto no suele ser un problema. Como veremos en los próximos trabajos, es posible emular una fuente de corriente constante utilizando una fuente de voltaje y algunos componentes conectados.
Símbolos esquemáticos
Claramente, no sería práctico crear dibujos de circuitos (esquemas) utilizando imágenes de los dispositivos reales. En cambio, usamos símbolos esquemáticos simples para representarlos. Hay dos esquemas ampliamente utilizados: ANSI (American National Standards Institue) e IEC (Comisión Electrotécnica Internacional). Para muchos componentes electrónicos las versiones ANSI e IEC son las mismas, pero existen diferencias notables. ANSI tiende a dominar en Norteamérica (¡sorpresa!) mientras que la IEC tiende a dominar en otros lugares.
La Figura 2.8.2 muestra los símbolos para fuentes de corriente y voltaje CC. La barra larga en la parte superior de la fuente de voltaje es el terminal positivo mientras que la barra más corta en la parte inferior denota el terminal negativo. Para la fuente de corriente, la flecha apunta en la dirección del flujo de corriente convencional. Si la fuente es ajustable, a menudo se mostrará con una flecha diagonal dibujada a través de ella. En algunos esquemas, una fuente de voltaje de CC simplemente se dibujará como un “punto de conexión” o nodo con el voltaje etiquetado. Se supone que el otro extremo de la fuente está atado de nuevo al sistema común o terreno.
Figura 2.8.2 : Símbolos esquemáticos de voltaje (izquierda) y fuente de corriente.
Hablando de tierra, hay tres símbolos diferentes utilizados para el punto de conexión común de un circuito. Estos son: tierra a tierra, tierra del chasis y tierra de señal o digital. Estos se muestran en la Figura 2.8.3 . La tierra se usa cuando el circuito común está atado de nuevo a tierra verdadera (por ejemplo, al tercer pin en un receptáculo de CA). La tierra del chasis es un término más genérico que representaría un punto de referencia común que no volvía a la tierra verdadera (por ejemplo, un dispositivo portátil). Finalmente, se usa tierra digital o de señal para distinguir entre puntos comunes donde podrían estar separados por problemas de ruido o interferencia (por ejemplo, una señal analógica sensible común separada de una lógica digital común).
Figura 2.8.3 : Símbolos esquemáticos para suelo. (L-R) tierra, chasis, señal.
Los símbolos para resistencias y otros dispositivos resistivos varían considerablemente entre las versiones ANSI e IEC. ANSI usa una línea en zig-zag mientras que IEC usa un rectángulo simple. Estos se ilustran en la Figura 2.8.4 . Este texto se centrará en el uso de los símbolos estándar ANSI para resistencias. Una nota final sobre los valores de los componentes: Como los puntos decimales son fáciles de perder en fotocopias o pantallas pequeñas, los multiplicadores de notación de ingeniería a veces se colocan en la posición de un punto decimal. Por ejemplo, una\(\Omega\) resistencia de 4.7 k puede aparecer como simplemente 4k7.
Figura 2.8.4 : Símbolos esquemáticos para dispositivos resistivos. Resistencia (L-R) (ANSI), resistencia (IEC), fotorresistencia, termistor.
Medición — El multímetro digital
Quizás el dispositivo de medición más práctico en el laboratorio eléctrico es el multímetro digital, o DMM para abreviar. Estos dispositivos portátiles se utilizan para medir voltaje, corriente y resistencia; y dependiendo del modelo también pueden tener otras capacidades de medición. Un par de unidades típicas se muestran en la Figura 2.8.5 .
Figura 2.8.5 : Multímetros digitales.
Más allá de las funciones de medición del DMM, quizás la característica más importante es su precisión. Es importante recordar que ningún dispositivo de medición es perfecto y siempre hay cierta incerteza entre lo que indica el dispositivo y el verdadero valor del parámetro que se está midiendo. Como un DMM utiliza una pantalla digital, tiene tanto rango finito como resolución. Como puede adivinar, cuantos más dígitos pueda mostrar el medidor, mayor será su precisión potencial. Los DMM se describen comúnmente como que tienen 3 1/2 dígitos, 3 3/4 dígitos, 4 1/2 dígitos, y así sucesivamente para sus pantallas. Un dígito fraccional es simplemente un dígito inicial que no puede llegar hasta nueve. Por uso común, el término “1/2 dígito” significa que el dígito principal no puede ser más de uno. Una especificación de 3/4 dígitos generalmente significa que el primer dígito no puede ser mayor que tres (también podría ser cuatro o incluso cinco ya que esta terminología no está estandarizada) 1. Para aclarar, una pantalla de 3 1/2 dígitos también se conoce como una pantalla de “conteo de 2000”. Esto se debe a que hay 2000 valores posibles, de 0000 a 1999. De igual manera, una pantalla de 4 3/4 dígitos se denomina pantalla de conteo de 40,000 porque tiene 40,000 valores posibles, de 00,000 a 39,000.
Usando una pantalla de conteo de 2000 como ejemplo, la siguiente pregunta a hacer es dónde colocar el punto decimal. Esta pantalla se podría configurar para leer de 0 a 1999 voltios. Por conveniencia, llamaríamos a eso una “escala de 2000 voltios”, lo que significa que el voltaje máximo que se puede mostrar es de aproximadamente 2000 voltios. Con un medidor por lo demás perfecto, el error puede ser tan grande como 1 voltio porque no tenemos forma de indicar fracciones de voltios. Para resolver esta limitación podríamos agregar otras escalas desplazando el punto decimal. Por ejemplo, podríamos hacer una “escala de 20 voltios” nominal que oscilaría hasta 19.99 voltios, dándonos una resolución de hasta 10 milivoltios. Podríamos ir más allá y hacer una escala de 2 voltios con un máximo de 1.999 voltios y una resolución de 1 milivoltios así como una escala de 200 milivoltios con un máximo de 199.9 milivoltios produciendo una resolución de una décima milivoltios. Es posible que necesitemos medir voltajes muy grandes y muy pequeños, por lo que la configuración de la báscula es ajustable por el usuario.
Es importante usar la escala más baja que pueda mostrar el valor deseado de lo contrario se producirá una pérdida de resolución y precisión. Por ejemplo, si necesitamos medir un voltaje en algún lugar alrededor de cinco o seis voltios con este medidor de conteo de 2000, debería establecerse para la escala de 20 voltios. Un ajuste inferior, como una escala de 2 voltios o 200 milivoltios, no podrá mostrar la medición y en su lugar indicará una condición de sobrecarga (generalmente parpadeando un mensaje de error abreviado como “Err” u “OL”). Por otro lado, si se utiliza la escala de 2000 voltios más alta, el medidor sólo podrá resolver la medición al voltio más cercano. En efecto, esto es tan importante que algunos medidores tienen rango automático, lo que significa que elegirán automáticamente la configuración de escala para dar el mejor resultado. La especificación de precisión para un DMM está en dos partes. La primera parte es la desviación porcentual alrededor del valor medido. La segunda parte es el número agregado de recuentos.
La especificación de precisión para un medidor típico de 3 1/2 dígitos podría ser del\(\pm\) 2% de la lectura más 3 recuentos. Para determinar el rango de valores posibles para una lectura, primero determine el porcentaje de la lectura y luego agregue el número de recuentos (es decir, un recuento representa la resolución del medidor en esa escala en particular). El valor resultante representa la incertidumbre de la lectura. También se puede visualizar como un “sobre de error” que rodea el valor mostrado. En algún lugar de esa envolvente está el verdadero valor medido. Esto se muestra en los siguientes ejemplos.
Un DMM de 3 1/2 dígitos (2000 conteo) tiene una especificación de precisión de\(\pm\) 2% de lectura más 3 recuentos. En su escala de 20 voltios mide 5.01 voltios. Determinar la incertidumbre en esta medición.
En su escala de 20 voltios este medidor puede mostrar hasta 19.99 voltios. Por lo tanto, su resolución, o valor de conteo único, es de 0.01 voltios. Así, 3 recuentos son 0.03 voltios. A esto le sumamos 2% de la lectura de 5.01 voltios, o 0.1002 voltios. El total es de 0.1302 voltios o 130.2 milivoltios. Esto representa la envolvente de error a cada lado de la lectura. Es decir, el valor verdadero está dentro del rango de 5.01 voltios\(\pm\) 130.2 milivoltios, o en algún lugar entre 4.8798 voltios y 5.1402 voltios. En otras palabras, la ambigüedad es de aproximadamente 130 milivoltios de aproximadamente 5 voltios.
Un DMM de 4 3/4 dígitos (40,000 conteo) tiene una especificación de precisión de\(\pm\) 0.1% de lectura más 8 recuentos. En su escala de 4 voltios mide 3.0035 voltios. Determinar la incertidumbre en esta medición.
En su escala de 4 voltios este medidor puede mostrar hasta 3.9999 voltios. Por lo tanto su resolución es de 0.0001 voltios o 0.1 milivoltios. 8 recuentos son 0.8 milivoltios. A esto le sumamos 0.1% de la lectura de 3.0035 voltios, o 3.0035 milivoltios. El total es de 3.8035 milivoltios. Esto representa la envolvente de error a cada lado de la lectura y el valor verdadero está en algún lugar entre 2.9996965 voltios y 3.0073035 voltios. La ambigüedad aquí es solo de unos pocos milivoltios de aproximadamente 3 voltios. Claramente, el nivel de ambigüedad de este medidor está muy reducido en comparación con el medidor utilizado en el Ejemplo 2.8.1 .
Referencias
1 Podría preguntarse con razón cómo es que tener solo un número de cada nueve cuenta como “mitad” y tres de nueve cuenta como “tres cuartas partes”. Bueno, eso es marketing para ti.