8.4: Diseño de amperímetro

Amperímetros Medir Corriente Eléctrica

Un medidor diseñado para medir la corriente eléctrica se llama popularmente “amperímetro” porque la unidad de medida es “amperios”.

En los diseños de amperímetro, las resistencias externas agregadas para extender el rango utilizable del movimiento se conectan en paralelo con el movimiento en lugar de en serie como es el caso de los voltímetros. Esto se debe a que queremos dividir la corriente medida, no la tensión medida, yendo al movimiento y porque los circuitos divisores de corriente siempre están formados por resistencias paralelas.

Diseñando un Amperímetro

Tomando el mismo movimiento del medidor que el ejemplo del voltímetro, podemos ver que haría un instrumento muy limitado por sí mismo, la deflexión a gran escala ocurriendo a solo 1 mA.

Como es el caso de extender la capacidad de medición de voltaje del movimiento de un medidor, tendríamos que volver a etiquetar correspondientemente la escala del movimiento para que se leyera de manera diferente para un rango de corriente extendido. Por ejemplo, si quisiéramos diseñar un amperímetro para tener un rango a escala completa de 5 amperios usando el mismo movimiento del medidor que antes (teniendo un rango intrínseco a escala completa de solo 1 mA), tendríamos que volver a etiquetar la escala del movimiento para leer 0 A en el extremo izquierdo y 5 A en el extremo derecho, en lugar de 0 mA a 1 mA como antes. Cualquiera que sea el rango extendido proporcionado por las resistencias conectadas en paralelo, tendríamos que representar gráficamente en la cara de movimiento del medidor.

Usando 5 amperios como rango extendido para nuestro movimiento de muestra, determinemos la cantidad de resistencia paralela necesaria para “derivar”, o bypass, la mayoría de la corriente para que solo 1 mA pase por el movimiento con una corriente total de 5 A:

A partir de nuestros valores dados de corriente de movimiento, resistencia al movimiento y corriente total del circuito (medida), podemos determinar el voltaje a través del movimiento del medidor (Ley de Ohm aplicada a la columna central, E=IR):

Sabiendo que el circuito formado por el movimiento y la derivación es de configuración paralela, sabemos que el voltaje a través del movimiento, derivación y conductores de prueba (total) debe ser el mismo:

También sabemos que la corriente a través de la derivación debe ser la diferencia entre la corriente total (5 amperios) y la corriente a través del movimiento (1 mA), porque las corrientes de derivación agregan en una configuración paralela:

Luego, usando la Ley de Ohm (R=E/I) en la columna derecha, podemos determinar la resistencia de derivación necesaria:

Por supuesto, podríamos haber calculado el mismo valor de poco más de 100 miliohmios (100 mΩ) para la derivación calculando la resistencia total (R=E/I; 0.5 voltios/5 amperios = 100 mΩ exactamente), luego trabajando la fórmula de resistencia paralela hacia atrás, pero la aritmética habría sido más desafiante:

Un amperímetro en diseños de la vida real

En la vida real, la resistencia de derivación de un amperímetro generalmente estará encerrada dentro de la carcasa metálica protectora de la unidad de medidor, oculta a la vista. Anote la construcción del amperímetro en la siguiente fotografía:

Este amperímetro particular es una unidad automotriz fabricada por Stewart-Warner. Aunque el propio movimiento del medidor D'Arsonval probablemente tenga una clasificación a escala completa en el rango de miliamperios, el medidor en su conjunto tiene un rango de +/- 60 amperios. La resistencia de derivación que proporciona este alto rango de corriente está encerrada dentro de la carcasa metálica del medidor. Observe también con este medidor en particular que la aguja se centra a cero amperios y puede indicar ya sea una corriente “positiva” o una corriente “negativa”. Conectado al circuito de carga de batería de un automóvil, este medidor puede indicar una condición de carga (electrones que fluyen del generador a la batería) o una condición de descarga (electrones que fluyen de la batería al resto de las cargas del automóvil).

Aumentar el rango utilizable de un amperímetro

Como es el caso de los voltímetros de rango múltiple, a los amperímetros se les puede dar más de un rango utilizable incorporando varias resistencias de derivación conmutadas con un interruptor multipolar:

Observe que las resistencias de rango están conectadas a través del interruptor para estar en paralelo con el movimiento del medidor, en lugar de en serie como lo fue en el diseño del voltímetro. El interruptor de cinco posiciones hace contacto con una sola resistencia a la vez, por supuesto. Cada resistencia tiene el tamaño correspondiente para un rango de escala completa diferente, basado en la clasificación particular del movimiento del medidor (1 mA, 500 Ω).

Con un diseño de medidor de este tipo, cada valor de resistencia se determina mediante la misma técnica, utilizando una corriente total conocida, clasificación de desviación de movimiento a gran escala y resistencia al movimiento. Para un amperímetro con rangos de 100 mA, 1 A, 10 A y 100 A, las resistencias de derivación serían como tales:

¡Observe que estos valores de resistencia de derivación son muy bajos! ¡5.00005 mΩ es 5.00005 miliohmios, o 0.00500005 ohmios! Para lograr estas bajas resistencias, las resistencias de derivación de amperímetro a menudo tienen que ser hechas a medida a partir de alambre de diámetro relativamente grande o piezas sólidas de metal.

Una cosa a tener en cuenta al dimensionar las resistencias de derivación de amperímetro es el factor de disipación de potencia. A diferencia del voltímetro, las resistencias de rango de un amperímetro tienen que transportar grandes cantidades de corriente. Si esas resistencias de derivación no tienen el tamaño correspondiente, pueden sobrecalentarse y sufrir daños, o al menos perder precisión debido al sobrecalentamiento. Para el medidor de ejemplo anterior, las disipaciones de potencia en la indicación a escala completa son (las líneas dobles onduladas representan “aproximadamente igual a” en matemáticas):

Una resistencia de 1/8 vatios funcionaría bien para R ₄, una resistencia de 1/2 vatio sería suficiente para R ₃ y una de 5 vatios para _R2 (aunque las resistencias tienden a mantener mejor su precisión a largo plazo si no funcionan cerca de su disipación de potencia nominal, por lo que es posible que desee sobrecalificar las resistencias R ₂ y R ₃), pero las resistencias de precisión de 50 vatios son componentes raros y caros de hecho. Una resistencia personalizada hecha de material metálico o alambre grueso puede tener que construirse para _R1 para cumplir con los requisitos de baja resistencia y alta potencia nominal.

En ocasiones, las resistencias de derivación se utilizan junto con voltímetros de alta resistencia de entrada para medir la corriente. En estos casos, la corriente a través del movimiento del voltímetro es lo suficientemente pequeña como para considerarse insignificante, y la resistencia de derivación se puede dimensionar de acuerdo a cuántos voltios o milivoltios de caída se producirán por amperio de corriente:

Si, por ejemplo, la resistencia de derivación en el circuito anterior tuviera un tamaño exacto de 1 Ω, habría 1 voltio caído a través de ella por cada amplificador de corriente a través de ella. La indicación del voltímetro podría entonces tomarse como una indicación directa de corriente a través de la derivación. Para medir corrientes muy pequeñas, se podrían usar valores más altos de resistencia de derivación para generar más caída de voltaje por unidad de corriente dada, extendiendo así el rango utilizable del medidor (voltios) hacia abajo en cantidades más bajas de corriente. El uso de voltímetros junto con resistencias de derivación de bajo valor para la medición de corriente es algo comúnmente visto en aplicaciones industriales.

Uso de una resistencia de derivación y un voltímetro en lugar de un amperímetro

El uso de una resistencia de derivación junto con un voltímetro para medir la corriente puede ser un truco útil para simplificar la tarea de mediciones frecuentes de corriente en un circuito. Normalmente, para medir la corriente a través de un circuito con amperímetro, el circuito tendría que romperse (interrumpirse) y el amperímetro insertado entre los extremos del cable separado, así:

Si tenemos un circuito donde la corriente necesita medirse a menudo, o simplemente nos gustaría hacer más conveniente el proceso de medición de corriente, se podría colocar una resistencia de derivación entre esos puntos y dejarla allí permanentemente, lecturas de corriente tomadas con un voltímetro según sea necesario sin interrumpir la continuidad en el circuito:

Por supuesto, se debe tener cuidado al dimensionar la resistencia de derivación lo suficientemente baja para que no afecte adversamente el funcionamiento normal del circuito, pero esto generalmente no es difícil de hacer. Esta técnica también podría ser útil en el análisis de circuitos informáticos, donde podríamos querer que la computadora muestre corriente a través de un circuito en términos de voltaje (con SPICE, esto nos permitiría evitar la idiosincrasia de leer valores de corriente negativos):

Interpretaríamos la lectura de voltaje a través de la resistencia de derivación (entre los nodos de circuito 1 y 2 en la simulación SPICE) directamente como amperios, siendo 7.999E-04 0.7999 mA, o 799.9 µA. Idealmente, 12 voltios aplicados directamente a través de 15 kΩ nos darían exactamente 0.8 mA, pero la resistencia de la derivación disminuye esa corriente apenas un poquito (como lo haría en la vida real). Sin embargo, un error tan pequeño generalmente está dentro de los límites aceptables de precisión para una simulación o un circuito real, y así las resistencias de derivación se pueden usar en todas las aplicaciones menos en las más exigentes para una medición precisa de corriente.

Revisar

• Los rangos de amperímetro se crean agregando resistencias paralelas de “derivación” al circuito de movimiento, proporcionando una división de corriente precisa.
• Las resistencias de derivación pueden tener disipaciones de alta potencia, ¡así que tenga cuidado al elegir piezas para tales medidores!
• Las resistencias de derivación se pueden usar junto con voltímetros de alta resistencia, así como movimientos de amperímetro de baja resistencia, produciendo caídas de voltaje precisas para cantidades dadas de corriente. Las resistencias de derivación deben seleccionarse para un valor de resistencia lo más bajo posible para minimizar su impacto sobre el circuito bajo prueba.