3.12: Detector de Voltaje Sensible

PARTES Y MATERIALES

• Audífonos de audio de “copa cerrada” de alta calidad
• Toma de auriculares: receptáculo hembra para conector de auriculares (Radio Shack catálogo # 274-312)
• Transformador de potencia reductor pequeño (catálogo Radio Shack # 273-1365 o equivalente, usando la toma de devanado secundario de 6 voltios)
• Dos diodos rectificadores 1N4001 (Radio Shack catálogo # 276-1101)
• Resistencia de 1 kΩ
• Potenciómetro de 100 kΩ (Catálogo Radio Shack # 271-092)
• Dos postes de unión tipo jack “banana”, u otro hardware de terminal, para la conexión al circuito del potenciómetro (catálogo Radio Shack # 274-662 o equivalente)
• Caja de montaje de plástico o metal

En cuanto a los auriculares, cuanto mayor sea la clasificación de “sensibilidad” en decibelios (dB), mejor, pero escuchar es creer: si te tomas en serio la construcción de un detector con máxima sensibilidad para señales eléctricas pequeñas, deberías probar algunos modelos diferentes de auriculares en una tienda de audio de alta calidad y “escuchar” para cuáles producen un sonido audible para el ajuste de volumen más bajo en una radio o reproductor de CD. ¡Cuidado, ya que podrías gastar cientos de dólares en un par de auriculares para obtener la mejor sensibilidad absoluta! Sin embargo, tómate: He usado un viejo par de auriculares de la marca Radio Shack “Realistic” con resultados perfectamente adecuados, así que no necesitas comprar los mejores.

Un transformador es un dispositivo que normalmente se usa con circuitos de corriente alterna (“CA”), que se usa para convertir la alimentación de CA de alto voltaje en alimentación de CA de bajo voltaje, y para muchos otros propósitos. No es importante que entiendas su función pretendida en este experimento, aparte de que hace que los auriculares se vuelvan más sensibles a las señales eléctricas de baja corriente.

Normalmente, el transformador utilizado en este tipo de aplicaciones (coincidencia de impedancia de altavoz de audio) se denomina “transformador de audio”, con sus devanados primario y secundario representados por valores de impedancia (1000 Ω: 8 Ω) en lugar de voltajes. Un transformador de audio funcionará, pero he encontrado que los transformadores de potencia reductores pequeños de relación 120/6 voltios son perfectamente adecuados para la tarea, más baratos (especialmente cuando se toman de una vieja radio despertador de tienda de segunda mano) y mucho más resistente.

La clasificación de tolerancia (precisión) para la resistencia de 1 kΩ es irrelevante. El potenciómetro de 100 kΩ es una opción recomendada para su incorporación a este proyecto, ya que le da al usuario el control sobre la sonoridad de cualquier señal dada. Aunque un potenciómetro de audio cónico sería apropiado para esta aplicación, no es necesario. Un potenciómetro de conicidad lineal funciona bastante bien.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 10: “Análisis de Redes DC” (respecto al Teorema de Transferencia Máxima de Potencia)

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 9: “Transformadores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 12: “Circuitos de Medición AC”

Objetivos de aprendizaje

• Práctica de soldadura
• Detección de señales eléctricas extremadamente pequeñas
• Uso de un potenciómetro como divisor de voltaje/atenuador de señal
• Uso de diodos para “clip” de voltaje en algún nivel máximo

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Los auriculares, lo más probable es que sean unidades estéreo (altavoces separados izquierdo y derecho) tendrán un enchufe de tres contactos. Te estarás conectando solo con dos de esos tres puntos de contacto. Si solo tienes un juego de auriculares “mono” con un enchufe de dos contactos, solo conéctate a esos dos puntos de contacto. Puede conectar los dos altavoces estéreo en serie o en paralelo. He encontrado que la conexión en serie funciona mejor, es decir, para producir la mayor cantidad de sonido a partir de una pequeña señal:

Suelde bien todas las conexiones de cable. Este sistema detector es extremadamente sensible, y cualquier conexión de cable suelto en el circuito agregará ruido no deseado a los sonidos producidos por la señal de voltaje medida. Los dos diodos (símbolos de componente tipo flecha) conectados en paralelo con el devanado primario del transformador, junto con la resistencia de 1 kΩ conectada en serie, trabajan juntos para evitar que más de aproximadamente 0.7 voltios caigan a través de la bobina primaria del transformador. Esto hace una cosa y una sola cosa: limitar la cantidad de sonido que pueden producir los auriculares. El sistema funcionará sin los diodos y la resistencia en su lugar, pero no habrá límite para el volumen del sonido en el circuito, y el sonido resultante causado por conectar accidentalmente los cables de prueba a través de una fuente de voltaje sustancial (como una batería) puede ser ensordecedor!

Los postes de unión proporcionan puntos de conexión para un par de sondas de prueba con enchufes estilo banana, una vez que los componentes del detector están montados dentro de una caja. Puede usar sondas multímetros comunes o hacer sus propias sondas con pinzas de cocodrilo en los extremos para una conexión segura a un circuito.

Los detectores están diseñados para ser utilizados para equilibrar circuitos de medición de puentes, circuitos de voltímetro potenciométricos (balance nulo) y detectar señales de CA (“corriente alterna”) de amplitud extremadamente baja en el rango de frecuencia de audio. Es una pieza valiosa de equipo de prueba, especialmente para el experimentador de bajo presupuesto sin osciloscopio. También es valioso ya que permite utilizar un sentido corporal diferente en la interpretación del comportamiento de un circuito.

Para la conexión a través de cualquier fuente de voltaje no trivial (1 voltio o mayor), la sensibilidad extremadamente alta del detector debe ser atenuada. Esto se puede lograr conectando un divisor de voltaje a la “parte frontal” del circuito:

Diagrama esquemático

Ilustracion

Ajuste el potenciómetro divisor de voltaje de 100 kΩ a aproximadamente el rango medio cuando detecte inicialmente una señal de voltaje de magnitud desconocida. Si el sonido es demasiado alto, baje el potenciómetro y vuelva a intentarlo. Si es demasiado suave, súbalo e inténtalo de nuevo. El detector produce un sonido de “clic” cada vez que los cables de prueba hacen o rompen el contacto con la fuente de voltaje bajo prueba. Con mis auriculares baratos, he podido detectar corrientes de menos de 1/10 de un microamplificador (

< 0.1 µA).

Una buena demostración de la sensibilidad del detector es tocar ambas pruebas lleva al final de la lengua, con el ajuste de sensibilidad establecido al máximo. El voltaje producido por el contacto de metal a electrolito (llamado voltaje galvánico) es muy pequeño, pero suficiente para producir sonidos suaves de “clic” cada vez que los cables hacen y rompen el contacto con la piel húmeda de la lengua.

Intente desenchufar el enchufe para auriculares del conector (receptáculo) y tocarlo de manera similar hasta el extremo de la lengua. Aún deberías escuchar sonidos suaves de clic, pero serán mucho más pequeños en amplitud. Los altavoces para auriculares son dispositivos de “baja impedancia”: requieren bajo voltaje y corriente “alta” para ofrecer una potencia de sonido sustancial. La impedancia es una medida de oposición a todas y cada una de las formas de corriente eléctrica, incluida la corriente alterna (CA). La resistencia, en comparación, es una medida estricta de oposición a la corriente continua (CC). Al igual que la resistencia, la impedancia se mide en la unidad del Ohm (Ω), pero se simboliza en ecuaciones por la letra mayúscula “Z” en lugar de la letra mayúscula “R”. Usamos el término “impedancia” para describir la oposición de los auriculares a la corriente porque son principalmente señales de CA a las que normalmente están sometidos los auriculares, no CC.

La mayoría de las fuentes de señal pequeñas tienen altas impedancias internas, algunas muy superiores a los 8 Ω nominales de los altavoces de los auriculares. Esta es una forma técnica de decir que son incapaces de suministrar cantidades sustanciales de corriente. Como predice el Teorema de Transferencia de Potencia Máxima, la potencia de sonido máxima será entregada por los altavoces de los auriculares cuando su impedancia esté “emparejada” con la impedancia de la fuente de voltaje. El transformador hace esto. El transformador también ayuda a la detección de pequeñas señales de CC al producir un “retroceso” inductivo cada vez que se rompe el circuito del cable de prueba, “amplificando” la señal almacenando magnéticamente energía eléctrica y liberándola repentinamente a los altavoces de los auriculares.

Recomiendo construir este detector de manera permanente (montar todos los componentes dentro de una caja y proporcionar buenos cables de prueba) para que pueda usarse fácilmente en el futuro. Construido como tal, podría verse así: