8.3: Impacto del voltímetro en el circuito medido

Cada medidor impacta en el circuito que está midiendo hasta cierto punto, así como cualquier manómetro de neumáticos cambia ligeramente la presión medida de los neumáticos a medida que se deja salir algo de aire para operar el manómetro. Si bien algo de impacto es inevitable, se puede minimizar a través de un buen diseño del medidor.

Circuito divisor de voltaje

Dado que los voltímetros siempre están conectados en paralelo con el componente o componentes bajo prueba, cualquier corriente a través del voltímetro contribuirá a la corriente general en el circuito probado, afectando potencialmente al voltaje que se está midiendo. Un voltímetro perfecto tiene una resistencia infinita, por lo que no extrae corriente del circuito bajo prueba. Sin embargo, los voltímetros perfectos solo existen en las páginas de los libros de texto, ¡no en la vida real! Tome el siguiente circuito divisor de voltaje como un ejemplo extremo de cómo un voltímetro realista podría afectar al circuito su medición:

Sin voltímetro conectado al circuito, debe haber exactamente 12 voltios a través de cada resistencia de 250 MΩ en el circuito en serie, las dos resistencias de igual valor dividiendo el voltaje total (24 voltios) exactamente por la mitad. Sin embargo, si el voltímetro en cuestión tiene una resistencia de plomo a cable de 10 MΩ (una cantidad común para un voltímetro digital moderno), su resistencia creará un subcircuito paralelo con la resistencia inferior del divisor cuando esté conectado:

Esto reduce efectivamente la menor resistencia de 250 MΩ a 9.615 MΩ (250 MΩ y 10 MΩ en paralelo), alterando drásticamente las caídas de voltaje en el circuito. La resistencia inferior ahora tendrá mucho menos voltaje a través de ella que antes, y la resistencia superior mucho más.

Divisor de voltaje medido

Un divisor de voltaje con valores de resistencia de 250 MΩ y 9.615 MΩ dividirá 24 voltios en porciones de 23.1111 voltios y 0.8889 voltios, respectivamente. Ya que el voltímetro forma parte de esa resistencia de 9.615 MΩ, eso es lo que indicará: 0.8889 voltios.

Ahora, el voltímetro sólo puede indicar el voltaje a través del cual está conectado. No tiene forma de “saber” que había un potencial de 12 voltios caídos a través de la resistencia inferior de 250 MΩ antes de que se conectara a través de ella. El acto mismo de conectar el voltímetro al circuito lo convierte en parte del circuito, y la propia resistencia del voltímetro altera la relación de resistencia del circuito divisor de voltaje, afectando consecuentemente al voltaje que se mide.

Imagínese usar un manómetro de neumáticos que tomara un volumen de aire tan grande para operar que desinflaría cualquier llanta a la que estuviera conectada. La cantidad de aire que consume el manómetro en el acto de medición es análoga a la corriente que toma el movimiento del voltímetro para mover la aguja. Cuanto menos aire requiera un manómetro para operar, menos desinflará el neumático bajo prueba. Cuanta menos corriente consuma un voltímetro para accionar la aguja, menos cargará el circuito bajo prueba.

Este efecto se llama carga, y está presente hasta cierto punto en cada instancia de uso de voltímetro. El escenario que se muestra aquí es el peor de los casos, con una resistencia del voltímetro sustancialmente menor que las resistencias de las resistencias divisoras. Pero siempre habrá algún grado de carga, haciendo que el medidor indique menos que el voltaje verdadero sin medidor conectado. Obviamente, cuanto mayor sea la resistencia del voltímetro, menor será la carga del circuito bajo prueba, y es por eso que un voltímetro ideal tiene una resistencia interna infinita.

Los voltímetros con movimientos electromecánicos suelen recibir clasificaciones en “ohmios por voltio” de rango para designar la cantidad de impacto del circuito creado por el consumo de corriente del movimiento. Debido a que dichos medidores dependen de diferentes valores de resistencias multiplicadoras para dar diferentes rangos de medición, sus resistencias de plomo a plomo cambiarán dependiendo del rango en el que estén establecidos. Los voltímetros digitales, por otro lado, a menudo exhiben una resistencia constante a través de sus cables de prueba independientemente del ajuste de rango (¡pero no siempre!) , y como tales suelen calificarse simplemente en ohmios de resistencia de entrada, en lugar de sensibilidad de “ohmios por voltio”.

Lo que significa “ohmios por voltio” es cuántos ohmios de resistencia de plomo a cable por cada ajuste de rango de voltios en el interruptor selector. Tomemos como ejemplo nuestro voltímetro de ejemplo de la última sección:

En la escala de 1000 voltios, la resistencia total es de 1 MΩ (999.5 kΩ + 500Ω), dando 1,000,000 Ω por 1000 voltios de rango, o 1000 ohmios por voltio (1 kΩ/V). Esta clasificación de “sensibilidad” de ohmios por voltio permanece constante para cualquier rango de este medidor:

El astuto observador notará que la clasificación de ohmios por voltio de cualquier medidor está determinada por un solo factor: la corriente a gran escala del movimiento, en este caso 1 mA. “Ohmios por voltio” es el recíproco matemático de “voltios por ohmio”, que se define por la Ley de Ohm como corriente (I=E/R). En consecuencia, la corriente a gran escala del movimiento dicta la sensibilidad Ω/voltio del medidor, independientemente de qué rangos el diseñador lo equipa a través de resistencias multiplicadoras. En este caso, el índice de corriente a escala completa del movimiento del medidor de 1 mA le da una sensibilidad del voltímetro de 1000 Ω/V independientemente de cómo lo alcancemos con resistencias multiplicadoras.

Para minimizar la carga de un voltímetro en cualquier circuito, el diseñador debe buscar minimizar el consumo de corriente de su movimiento. Esto se puede lograr rediseñando el movimiento en sí para obtener la máxima sensibilidad (menos corriente requerida para la deflexión a gran escala), pero la compensación aquí suele ser robustez: un movimiento más sensible tiende a ser más frágil.

Otro enfoque es impulsar electrónicamente la corriente enviada al movimiento, de manera que se necesita extraer muy poca corriente del circuito bajo prueba. Este circuito electrónico especial se conoce como amplificador, y el voltímetro así construido es un voltímetro amplificado.

El funcionamiento interno de un amplificador es demasiado complejo para ser discutido en este punto, pero basta con decir que el circuito permite que el voltaje medido controle cuánta corriente de batería se envía al movimiento del medidor. Así, las necesidades de corriente del movimiento son suministradas por una batería interna al voltímetro y no por el circuito bajo prueba. El amplificador todavía carga el circuito bajo prueba hasta cierto punto, pero generalmente cientos o miles de veces menos de lo que haría el movimiento del medidor por sí mismo.

Antes de la llegada de los semiconductores conocidos como “transistores de efecto de campo”, se utilizaron tubos de vacío como dispositivos de amplificación para realizar este refuerzo. Tales voltímetros de tubo de vacío, o (VTVM) alguna vez fueron instrumentos muy populares para pruebas y mediciones electrónicas. Aquí una fotografía de un VTVM muy antiguo, ¡con el tubo de vacío expuesto!

Ahora, los circuitos amplificadores de transistores de estado sólido realizan la misma tarea en los diseños de medidores digitales. Si bien este enfoque (de usar un amplificador para aumentar la corriente de señal medida) funciona bien, complica enormemente el diseño del medidor, haciendo casi imposible que el estudiante principiante de electrónica comprenda su funcionamiento interno.

Una solución final e ingeniosa al problema de la carga del voltímetro es la del instrumento potenciométrico o de equilibrio nulo. No requiere circuitos avanzados (electrónicos) ni dispositivos sensibles como transistores o tubos de vacío, pero sí requiere una mayor participación y habilidad de los técnicos. En un instrumento potenciométrico, se compara una fuente de voltaje ajustable de precisión con la tensión medida, y se usa un dispositivo sensible llamado detector nulo para indicar cuándo los dos voltajes son iguales. En algunos diseños de circuitos, se utiliza un potenciómetro de precisión para proporcionar el voltaje ajustable, de ahí la etiqueta potenciométrica. Cuando los voltajes son iguales, habrá cero corriente extraída del circuito bajo prueba, y así el voltaje medido no debe verse afectado. Es fácil mostrar cómo funciona esto con nuestro último ejemplo, el circuito divisor de voltaje de alta resistencia:

El “detector nulo” es un dispositivo sensible capaz de indicar la presencia de voltajes muy pequeños. Si se utiliza un movimiento de medidor electromecánico como detector de nulos, tendrá una aguja centrada en resorte que puede desviarse en cualquier dirección para ser útil para indicar un voltaje de cualquier polaridad. Como el propósito de un detector nulo es indicar con precisión una condición de voltaje cero, en lugar de indicar cualquier cantidad específica (distinta de cero) como lo haría un voltímetro normal, la escala del instrumento utilizado es irrelevante. Los detectores nulos se diseñan típicamente para ser lo más sensibles posible con el fin de indicar con mayor precisión una condición de “nulo” o “equilibrio” (voltaje cero).

Un tipo de detector de nulos extremadamente simple es un conjunto de auriculares de audio, los altavoces dentro de actuar como una especie de movimiento de medidor. Cuando inicialmente se aplica un voltaje de CC a un altavoz, la corriente resultante a través de él moverá el cono del altavoz y producirá un “clic” audible. Se escuchará otro sonido de “clic” cuando se desconecte la fuente de CC. Sobre la base de este principio, un detector de nulos sensible puede estar hecho de nada más que auriculares y un interruptor de contacto momentáneo:

Si se utiliza un conjunto de auriculares “8 ohmios” para este propósito, su sensibilidad se puede aumentar considerablemente al conectarlo a un dispositivo llamado transformador. El transformador explota principios de electromagnetismo para “transformar” los niveles de voltaje y corriente de los pulsos de energía eléctrica. En este caso, el tipo de transformador utilizado es un transformador reductor, y convierte los pulsos de baja corriente (creados al cerrar y abrir el interruptor de botón mientras está conectado a una pequeña fuente de voltaje) en pulsos de mayor corriente para impulsar de manera más eficiente los conos de los altavoces dentro de los auriculares. Un transformador de “salida de audio” con una relación de impedancia de 1000:8 es ideal para este propósito. El transformador también aumenta la sensibilidad del detector al acumular la energía de una señal de baja corriente en un campo magnético para su liberación repentina en los altavoces de los auriculares cuando se abre el interruptor. Por lo tanto, producirá “clics” más fuertes para detectar señales más pequeñas:

Conectado al circuito potenciométrico como detector nulo, la disposición de interruptor/transformador/auricular se utiliza como tal:

El propósito de cualquier detector de nulos es actuar como una balanza de laboratorio, indicando cuando los dos voltajes son iguales (ausencia de voltaje entre los puntos 1 y 2) y nada más. La barra de equilibrio de escala de laboratorio en realidad no pesa nada; más bien, simplemente indica la igualdad entre la masa desconocida y la pila de masas estándar (calibradas).

De igual manera, el detector de nulos simplemente indica cuándo son iguales los voltajes entre los puntos 1 y 2, que (de acuerdo con la Ley de Voltaje de Kirchhoff) será cuando la fuente de voltaje ajustable (el símbolo de la batería con una flecha diagonal que la atraviesa) es precisamente igual en voltaje a la caída a través de _R2.

Para operar este instrumento, el técnico ajustaría manualmente la salida de la fuente de voltaje de precisión hasta que el detector de nulos indicara exactamente cero (si usaba auriculares de audio como detector de nulos, el técnico presionaría y soltaría repetidamente el interruptor pulsador, escuchando silencio para indicar que el circuito estaba “equilibrado”), y luego anotar el voltaje de la fuente como lo indica un voltímetro conectado a través de la fuente de voltaje de precisión, siendo esa indicación representativa del voltaje a través de la resistencia inferior de 250 MΩ:

El voltímetro utilizado para medir directamente la fuente de precisión no necesita tener una sensibilidad Ω/V extremadamente alta, ya que la fuente suministrará toda la corriente que necesita para operar. Siempre y cuando haya voltaje cero a través del detector nulo, habrá cero corriente entre los puntos 1 y 2, lo que equivale a ninguna carga del circuito divisor bajo prueba.

Es digno de reiterar el hecho de que este método, correctamente ejecutado, coloca casi cero carga sobre el circuito medido. Idealmente, no coloca absolutamente ninguna carga en el circuito probado, pero para lograr este objetivo ideal el detector de nulos tendría que tener absolutamente cero voltaje a través de él, lo que requeriría un medidor de nulos infinitamente sensible y un equilibrio perfecto de voltaje de la fuente de voltaje ajustable. Sin embargo, a pesar de su incapacidad práctica para lograr una carga cero absoluta, un circuito potenciométrico sigue siendo una excelente técnica para medir voltaje en circuitos de alta resistencia. Y a diferencia de la solución de amplificador electrónico, que resuelve el problema con tecnología avanzada, el método potenciométrico logra una solución hipotéticamente perfecta al explotar una ley fundamental de la electricidad (KVL).

Revisar

• Un voltímetro ideal tiene una resistencia infinita.
• Una resistencia interna demasiado baja en un voltímetro afectará negativamente al circuito que se está midiendo.
• Los voltímetros de tubo de vacío (VTVM), los voltímetros de transistor y los circuitos potenciométricos son todos los medios para minimizar la carga colocada en un circuito medido. De estos métodos, la técnica potenciométrica (“balance nulo”) es la única capaz de colocar carga cero en el circuito.
• Un detector de nulos es un dispositivo construido para la máxima sensibilidad a pequeños voltajes o corrientes. Se utiliza en circuitos de voltímetro potenciométricos para indicar la ausencia de voltaje entre dos puntos, indicando así una condición de equilibrio entre una fuente de voltaje ajustable y la tensión que se está midiendo.