8.6: Diseño de Ohmímetro

Aunque los diseños de ohmios mecánicos (medidor de resistencia) rara vez se utilizan hoy en día, habiendo sido reemplazados en gran medida por instrumentos digitales, su funcionamiento es sin embargo intrigante y digno de estudio.

El propósito de un ohmímetro, por supuesto, es medir la resistencia colocada entre sus conductores. Esta lectura de resistencia se indica a través de un movimiento mecánico del medidor que opera con corriente eléctrica. El óhmetro debe entonces tener una fuente interna de voltaje para crear la corriente necesaria para operar el movimiento, y también tener resistencias de alcance adecuadas para permitir la cantidad justa de corriente a través del movimiento a cualquier resistencia dada.

Comenzando con un simple movimiento y circuito de batería, veamos cómo funcionaría como un ohmímetro:

Cuando hay resistencia infinita (no hay continuidad entre los cables de prueba), hay corriente cero a través del movimiento del medidor, y la aguja apunta hacia el extremo izquierdo de la escala. Al respecto, la indicación del óhmetro es “hacia atrás” porque la indicación máxima (infinito) se encuentra a la izquierda de la escala, mientras que los medidores de voltaje y corriente tienen cero a la izquierda de sus escalas.

Si los cables de prueba de este ohmiómetro se cortocircuitan directamente entre sí (midiendo cero Ω), el movimiento del medidor tendrá una cantidad máxima de corriente a través de él, limitada solo por el voltaje de la batería y la resistencia interna del movimiento:

Con 9 voltios de potencial de batería y solo 500 Ω de resistencia al movimiento, nuestra corriente de circuito será de 18 mA, lo que está mucho más allá de la clasificación a gran escala del movimiento. Tal exceso de corriente probablemente dañará el medidor.

No sólo eso, sino que tener tal condición limita la utilidad del dispositivo. Si la izquierda de escala completa en la cara del medidor representa una cantidad infinita de resistencia, entonces el derecho de escala completo debería representar cero. Actualmente, nuestro diseño “fija” el movimiento del medidor con fuerza a la derecha cuando se une resistencia cero entre los cables. Necesitamos una manera de hacerlo de manera que el movimiento simplemente registre a gran escala cuando las pistas de prueba se cortocircuiten juntas. Esto se logra agregando una resistencia en serie al circuito del medidor:

Para determinar el valor adecuado para R, calculamos la resistencia total del circuito necesaria para limitar la corriente a 1 mA (desviación a gran escala en el movimiento) con 9 voltios de potencial de la batería, luego restamos la resistencia interna del movimiento de esa figura:

Ahora que se ha calculado el valor correcto para R, todavía nos queda un problema de rango de medidor. En el lado izquierdo de la escala tenemos “infinito” y en el lado derecho tenemos cero. Además de estar “al revés” de las escalas de voltímetros y amperímetros, esta escala es extraña porque va de la nada a todo, más que de la nada a un valor finito (como 10 voltios, 1 amp, etc.). Uno podría hacer una pausa para preguntarse, “¿qué representa el medio de escala? ¿Qué cifra se encuentra exactamente entre cero e infinito?” El infinito es más que una cantidad muy grande: es una cantidad incalculable, mayor de lo que cualquier número definido jamás podría ser. Si la indicación a media escala en cualquier otro tipo de medidor representa 1/2 del valor de rango a escala completa, entonces ¿qué es la mitad del infinito en una escala de ohmímetro?

La respuesta a esta paradoja es una escala no lineal. En pocas palabras, la escala de un ohmímetro no avanza suavemente de cero a infinito ya que la aguja barre de derecha a izquierda. Más bien, la escala comienza “expandida” en el lado derecho, con los sucesivos valores de resistencia cada vez más cercanos entre sí hacia el lado izquierdo de la escala:

El infinito no puede ser abordado de manera lineal (par), ¡porque la escala nunca llegaría ahí! Con una escala no lineal, la cantidad de resistencia que se extiende para cualquier distancia dada en la escala aumenta a medida que la escala avanza hacia el infinito, haciendo del infinito una meta alcanzable.

Sin embargo, todavía tenemos una cuestión de alcance para nuestro ohmímetro. ¿Qué valor de resistencia entre los cables de prueba causará exactamente una desviación de 1/2 escala de la aguja? Si sabemos que el movimiento tiene una clasificación a escala completa de 1 mA, entonces 0.5 mA (500 µA) debe ser el valor necesario para la deflexión a media escala. Siguiendo nuestro diseño con la batería de 9 voltios como fuente obtenemos:

Con una resistencia de movimiento interno de 500 Ω y una resistencia de rango en serie de 8.5 kΩ, esto deja 9 kΩ para una resistencia de prueba externa (plomo-a-plomo) a escala 1/2. En otras palabras, la resistencia de prueba que da desviación de escala 1/2 en un ohmímetro es igual en valor a la resistencia total en serie (interna) del circuito medidor.

Usando la Ley de Ohm algunas veces más, también podemos determinar el valor de resistencia de prueba para la deflexión de escala 1/4 y 3/4:

Desviación de escala 1/4 (0.25 mA de corriente del medidor):

Desviación de escala 3/4 (0,75 mA de corriente del medidor):

Entonces, la escala para este ohmímetro se ve algo así:

Un problema importante con este diseño es su dependencia de un voltaje de batería estable para una lectura precisa de la resistencia. Si el voltaje de la batería disminuye (como todas las baterías químicas hacen con la edad y el uso), la escala del ohmímetro perderá precisión. Con la resistencia de rango en serie a un valor constante de 8.5 kΩ y el voltaje de la batería disminuyendo, el medidor ya no desviará a escala completa hacia la derecha cuando los cables de prueba estén en cortocircuito (0 Ω). De igual manera, una resistencia de prueba de 9 kΩ no podrá desviar la aguja a exactamente 1/2 escala con un voltaje de batería menor.

Existen técnicas de diseño que se utilizan para compensar el voltaje variable de la batería, pero no atienden completamente el problema y deben considerarse aproximaciones en el mejor de los casos. Por esta razón, y por el hecho de la escala no lineal, este tipo de ohmímetro nunca se considera un instrumento de precisión.

Una última advertencia debe mencionarse con respecto a los ohmmetros: solo funcionan correctamente al medir la resistencia que no está siendo alimentada por una fuente de voltaje o corriente. En otras palabras, ¡no se puede medir la resistencia con un ohmímetro en un circuito “vivo”! La razón de esto es simple: la indicación precisa del ohmímetro depende de que la única fuente de voltaje sea su batería interna. La presencia de cualquier voltaje a través del componente a medir interferirá con el funcionamiento del ohmímetro. Si el voltaje es lo suficientemente grande, puede incluso dañar el ohmímetro.

Revisar

• Los ohmímetros contienen fuentes internas de voltaje para suministrar energía en la toma de mediciones de resistencia.
• Una escala analógica de ohmímetro es “hacia atrás” de la de un voltímetro o amperímetro, la aguja de movimiento lee resistencia cero a escala completa y resistencia infinita en reposo.
• Los ohmímetros analógicos también tienen escalas no lineales, “expandidas” en el extremo inferior de la escala y “comprimidas” en el extremo alto para poder abarcar de cero a resistencia infinita.
• Los ohmímetros analógicos no son instrumentos de precisión.
• Los ohmímetros nunca deben conectarse a un circuito energizado (es decir, un circuito con su propia fuente de voltaje). Cualquier voltaje aplicado a los cables de prueba de un ohmímetro invalidará su lectura.