8.1: ¿Qué es un Medidor?

Un medidor es cualquier dispositivo construido para detectar y mostrar con precisión una cantidad eléctrica en una forma legible por un ser humano. Por lo general, esta “forma legible” es visual: movimiento de un puntero sobre una escala, una serie de luces dispuestas para formar un “gráfico de barras”, o algún tipo de visualización compuesta por figuras numéricas. En el análisis y pruebas de circuitos, hay medidores diseñados para medir con precisión las cantidades básicas de voltaje, corriente y resistencia. También hay muchos otros tipos de medidores, pero este capítulo abarca principalmente el diseño y funcionamiento de los tres básicos.

La mayoría de los medidores modernos son de diseño “digital”, lo que significa que su visualización legible es en forma de dígitos numéricos. Los diseños antiguos de medidores son de naturaleza mecánica, utilizando algún tipo de dispositivo puntero para mostrar la cantidad de medición. En cualquier caso, los principios aplicados en la adaptación de una unidad de visualización a la medición de (relativamente) grandes cantidades de voltaje, corriente o resistencia son los mismos.

El mecanismo de visualización de un medidor a menudo se conoce como un movimiento, tomando prestado de su naturaleza mecánica para mover un puntero a lo largo de una escala para que se pueda leer un valor medido. Aunque los medidores digitales modernos no tienen partes móviles, el término “movimiento” puede aplicarse al mismo dispositivo básico que realiza la función de visualización.

El diseño de los “movimientos” digitales está más allá del alcance de este capítulo, pero los diseños de movimiento de medidores mecánicos son muy comprensibles. La mayoría de los movimientos mecánicos se basan en el principio del electromagnetismo: que la corriente eléctrica a través de un conductor produce un campo magnético perpendicular al eje de flujo de electrones. Cuanto mayor es la corriente eléctrica, más fuerte es el campo magnético producido. Si se permite que el campo magnético formado por el conductor interactúe con otro campo magnético, se generará una fuerza física entre las dos fuentes de campos. Si una de estas fuentes es libre de moverse con respecto a la otra, lo hará a medida que la corriente se conduzca a través del cable, siendo el movimiento (generalmente contra la resistencia de un resorte) proporcional a la intensidad de la corriente.

Los movimientos del primer metro construidos se conocían como galvanómetros, y generalmente se diseñaban teniendo en cuenta la máxima sensibilidad. Un galvanómetro muy simple puede estar hecho de una aguja magnetizada (como la aguja de una brújula magnética) suspendida de una cuerda y colocada dentro de una bobina de alambre. La corriente a través de la bobina de alambre producirá un campo magnético que desviará la aguja de apuntar en la dirección del campo magnético de la tierra. Un galvanómetro de cuerda antiguo se muestra en la siguiente fotografía:

Tales instrumentos fueron útiles en su tiempo, pero tienen poco lugar en el mundo moderno excepto como prueba de concepto y dispositivos experimentales elementales. Son altamente susceptibles al movimiento de cualquier tipo, y a cualquier perturbación en el campo magnético natural de la tierra. Ahora bien, el término “galvanómetro” suele referirse a cualquier diseño de movimiento de medidor electromagnético construido para una sensibilidad excepcional, y no necesariamente a un dispositivo crudo como el que se muestra en la fotografía. Los movimientos prácticos del medidor electromagnético se pueden realizar ahora donde una bobina de alambre pivotante está suspendida en un fuerte campo magnético, protegida de la mayoría de las influencias externas. Tal diseño de instrumento se conoce generalmente como un imán permanente, bobina móvil o movimiento PMMC:

En la imagen de arriba, se muestra el movimiento del medidor “aguja” apuntando en algún lugar alrededor del 35 por ciento de escala real, siendo cero lleno a la izquierda del arco y a escala completa estando completamente a la derecha del arco. Un aumento en la corriente medida conducirá a la aguja a apuntar más hacia la derecha y una disminución hará que la aguja vuelva a caer hacia su punto de descanso a la izquierda. El arco en la pantalla del medidor está etiquetado con números para indicar el valor de la cantidad que se mide, sea cual sea esa cantidad. En otras palabras, si se necesitan 50 microamperios de corriente para conducir la aguja completamente hacia la derecha (haciendo de esto un “movimiento a escala completa de 50 µA”), la escala tendría 0 µA escrito en el extremo izquierdo y 50 µA en la derecha, estando marcados 25 µA en el centro de la escala. Con toda probabilidad, la escala se dividiría en marcas graduadas mucho más pequeñas, probablemente cada 5 o 1 µA, para permitir a quien esté viendo el movimiento inferir una lectura más precisa desde la posición de la aguja.

El movimiento del medidor tendrá un par de terminales de conexión metálicos en la parte posterior para que la corriente entre y salga. La mayoría de los movimientos del medidor son sensibles a la polaridad, una dirección de la corriente conduce la aguja hacia la derecha y la otra la conduce hacia la izquierda. Algunos movimientos de medidor tienen una aguja centrada en resorte en el centro del barrido de escala en lugar de hacia la izquierda, permitiendo así mediciones de cualquiera de las dos polaridad:

Los movimientos comunes sensibles a la polaridad incluyen los diseños D'Arsonval y Weston, ambos instrumentos tipo PMMC. La corriente en una dirección a través del cable producirá un par de torsión en el sentido de las agujas del reloj en el mecanismo de la aguja, mientras que la corriente en la otra dirección producirá un par

Algunos movimientos del medidor son sensibles a la polaridad, confiando en la atracción de una paleta de hierro móvil y no magnetizada hacia un cable estacionario que lleva corriente para desviar la aguja. Dichos medidores son ideales para la medición de corriente alterna (CA). Un movimiento sensible a la polaridad simplemente vibraría inútilmente de un lado a otro si se conecta a una fuente de CA.

Si bien la mayoría de los movimientos mecánicos de los medidores se basan en el electromagnetismo (flujo de electrones a través de un conductor que crea un campo magnético perpendicular), algunos se basan en la electrostática: es decir, la fuerza atractiva o repulsiva generada por las cargas eléctricas a través del espacio. Este es el mismo fenómeno que exhiben ciertos materiales (como la cera y la lana) cuando se frotan juntos. Si se aplica un voltaje entre dos superficies conductoras a través de un entrehierro, habrá una fuerza física que atraiga las dos superficies juntas capaz de mover algún tipo de mecanismo indicador. Esa fuerza física es directamente proporcional al voltaje aplicado entre las placas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las placas. La fuerza también es independiente de la polaridad, lo que lo convierte en un tipo de movimiento de medidor insensible a la polaridad:

Desafortunadamente, la fuerza generada por la atracción electrostática es muy pequeña para voltajes comunes. De hecho, es tan pequeño que tales diseños de movimiento de medidor no son prácticos para su uso en instrumentos de prueba generales. Por lo general, los movimientos electrostáticos del medidor se utilizan para medir voltajes muy altos (muchos miles de voltios). Una gran ventaja del movimiento del medidor electrostático, sin embargo, es el hecho de que tiene una resistencia extremadamente alta, mientras que los movimientos electromagnéticos (que dependen del flujo de electrones a través del cable para generar un campo magnético) son mucho menores en resistencia. Como veremos con mayor detalle por venir, mayor resistencia (resultando en menos corriente extraída del circuito bajo prueba) hace que sea un mejor voltímetro.

Una aplicación mucho más común de la medición de voltaje electrostático se ve en un dispositivo conocido como Tubo de Rayos Catódicos, o CRT. Se trata de tubos de vidrio especiales, muy similares a los tubos de pantalla de televisión. En el tubo de rayos catódicos, un haz de electrones que viaja en vacío se desvía de su curso por voltaje entre pares de placas metálicas a cada lado del haz. Debido a que los electrones están cargados negativamente, tienden a ser repelidos por la placa negativa y atraídos hacia la placa positiva. Una inversión de la polaridad de voltaje a través de las dos placas dará como resultado una desviación del haz de electrones en la dirección opuesta, haciendo que este tipo de medidor sea “movimiento” sensible a la polaridad:

Los electrones, que tienen mucha menos masa que las placas metálicas, son movidos por esta fuerza electrostática muy rápida y fácilmente. Su trayectoria desviada se puede rastrear a medida que los electrones inciden en el extremo de vidrio del tubo donde chocan con una capa de fósforo químico, emitiendo un resplandor de luz visto fuera del tubo. Cuanto mayor sea el voltaje entre las placas de deflexión, más lejos se “doblará” el haz de electrones desde su trayectoria recta, y más lejos se verá el punto brillante desde el centro en el extremo del tubo.

Aquí se muestra una fotografía de un CRT:

En un CRT real, como se muestra en la fotografía anterior, hay dos pares de placas deflectoras en lugar de solo una. Para poder barrer el haz de electrones alrededor de toda el área de la pantalla en lugar de solo en línea recta, el haz debe ser desviado en más de una dimensión.

Si bien estos tubos son capaces de registrar con precisión pequeños voltajes, son voluminosos y requieren energía eléctrica para funcionar (a diferencia de los movimientos del medidor electromagnético, que son más compactos y accionados por la potencia de la corriente de señal medida que los atraviesa). También son mucho más frágiles que otros tipos de dispositivos de medición eléctrica. Por lo general, los tubos de rayos catódicos se utilizan en conjunto con circuitos externos precisos para formar una pieza más grande de equipo de prueba conocido como osciloscopio, que tiene la capacidad de mostrar un gráfico de voltaje a lo largo del tiempo, una herramienta tremendamente útil para ciertos tipos de circuitos donde voltaje y/o corriente los niveles están cambiando dinámicamente.

Sea cual sea el tipo de medidor o el tamaño del movimiento del medidor, habrá un valor nominal de voltaje o corriente necesario para dar una indicación a gran escala. En los movimientos electromagnéticos, esta será la “corriente de deflexión a gran escala” necesaria para girar la aguja de manera que apunte al final exacto de la escala indicadora. En los movimientos electrostáticos, la clasificación a escala completa se expresará como el valor de voltaje que resulta en la máxima deflexión de la aguja accionada por las placas, o el valor de voltaje en un tubo de rayos catódicos que desvía el haz de electrones hacia el borde de la pantalla indicadora. En los “movimientos” digitales, es la cantidad de voltaje que resulta en una indicación de “conteo completo” en la pantalla numérica: cuando los dígitos no pueden mostrar una cantidad mayor.

La tarea del diseñador de medidores es tomar un movimiento de medidor dado y diseñar los circuitos externos necesarios para la indicación a gran escala a una cantidad especificada de voltaje o corriente. La mayoría de los movimientos del medidor (exceptuados los movimientos electrostáticos) son bastante sensibles, dando una indicación a gran escala en solo una pequeña fracción de un voltio o un amplificador. Esto no es práctico para la mayoría de las tareas de medición de voltaje y corriente. Lo que suele requerir el técnico es un medidor capaz de medir altos voltajes y corrientes.

Al hacer que el movimiento sensible del medidor sea parte de un circuito divisor de voltaje o corriente, el rango de medición útil del movimiento puede extenderse para medir niveles mucho mayores que lo que podría indicarse solo por el movimiento. Las resistencias de precisión se utilizan para crear los circuitos divisores necesarios para dividir el voltaje o la corriente de manera apropiada. Una de las lecciones que aprenderás en este capítulo es cómo diseñar estos circuitos divisores.

Revisar

• Un “movimiento” es el mecanismo de visualización de un medidor.
• Los movimientos electromagnéticos funcionan según el principio de que un campo magnético es generado por la corriente eléctrica a través de un cable. Ejemplos de movimientos de medidores electromagnéticos incluyen los diseños de D'Arsonval, Weston y paletas de hierro.
• Los movimientos electrostáticos funcionan según el principio de la fuerza física generada por un campo eléctrico entre dos placas.
• Los tubos de rayos catódicos (CRT) utilizan un campo electrostático para doblar la trayectoria de un haz de electrones, proporcionando una indicación de la posición del haz por la luz creada cuando el haz golpea el extremo del tubo de vidrio.