3.13: Voltímetro Potenciométrico

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro, giro simple, 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Dos resistencias de alto valor (al menos 1 MΩ cada una)
• Detector de voltaje sensible (del experimento anterior)
• Voltímetro analógico (del experimento anterior)

El valor del potenciómetro no es crítico: cualquier cosa desde 1 kΩ hasta 100 kΩ es aceptable. Si ha construido el “potenciómetro de precisión” descrito anteriormente en este capítulo, se recomienda que lo utilice en este experimento.

De igual manera, los valores reales de las resistencias no son críticos. En este experimento en particular, cuanto mayor sea el valor, mejores serán los resultados. Tampoco necesitan ser precisamente de igual valor.

Si aún no ha construido el detector de voltaje sensible, ¡se recomienda que construya uno antes de continuar con este experimento! Se trata de un equipo de prueba muy útil, pero simple, del que no deberías estar sin. Puede usar un multímetro digital configurado en el rango de “milivoltios CC” (DC mV) en lugar de un detector de voltaje, pero el detector de voltaje basado en auriculares es más apropiado porque demuestra cómo puede realizar mediciones precisas de voltaje sin usar equipos de medidores costosos o avanzados. Te recomiendo usar tu multímetro casero por el mismo motivo, aunque cualquier voltímetro bastará para este experimento.

Referencias cruzadas

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

Objetivos de aprendizaje

• Carga del voltímetro: sus causas y su solución
• Uso de un potenciómetro como fuente de voltaje variable
• Método potenciométrico de medición de voltaje

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Construya el circuito divisor de voltaje de dos resistencias que se muestra a la izquierda del diagrama esquemático y de la ilustración. Si las dos resistencias de alto valor son de igual valor, el voltaje de la batería debe dividirse por la mitad, con aproximadamente 3 voltios caídos en cada resistencia.

Mida el voltaje de la batería directamente con un voltímetro, luego mida la caída de voltaje de cada resistor. ¿Notas algo inusual en las lecturas del voltímetro? Normalmente, las caídas de voltaje en serie se suman para igualar el voltaje total aplicado, pero en este caso, notará una discrepancia grave. ¿Es falsa la Ley de Voltaje de Kirchhoff? ¿Es esto una excepción a una de las leyes más fundamentales de los circuitos eléctricos? ¡No! Lo que está pasando es esto: cuando conectas un voltímetro a través de cualquiera de las resistencias, el propio voltímetro altera el circuito para que el voltaje no sea el mismo que sin medidor conectado.

Me gusta usar la analogía de un manómetro de aire utilizado para verificar la presión de una llanta neumática. Cuando se conecta un medidor a la válvula de llenado de la llanta, libera algo de aire de la llanta. Esto afecta la presión en la llanta, por lo que el manómetro lee una presión ligeramente menor que la que había en la llanta antes de que se conectara el manómetro. En otras palabras, el acto de medir la presión de los neumáticos altera la presión del neumático. Ojalá, sin embargo, haya tan poco aire liberado del neumático durante el acto de medición que la reducción de la presión sea insignificante. Los voltímetros impactan de manera similar el voltaje que miden, al evitar algo de corriente alrededor del componente cuya caída de voltaje se está midiendo. Esto afecta la caída de voltaje, pero el efecto es tan leve que normalmente no lo notas.

En este circuito, sin embargo, el efecto es muy pronunciado. ¿Por qué es esto? Intente reemplazar las dos resistencias de alto valor por dos de valor de 100 kΩ cada una y repita el experimento. Reemplace esas resistencias con dos unidades de 10 KΩ y repita. ¿Qué nota acerca de las lecturas de voltaje con resistencias de menor valor? ¿Qué le dice esto sobre el “impacto” del voltímetro en un circuito en relación con la resistencia de ese circuito? Reemplace las resistencias de bajo valor por las resistencias originales de alto valor (>= 1 MΩ) antes de continuar.

Intente medir el voltaje a través de las dos resistencias de alto valor, una a la vez, con un voltímetro digital en lugar de un voltímetro analógico. ¿Qué notas sobre las lecturas del medidor digital frente a las del medidor analógico? Los voltímetros digitales suelen tener mayor resistencia interna (sonda a sonda), lo que significa que consumen menos corriente que un voltímetro analógico comparable al medir la misma fuente de voltaje. Un voltímetro ideal extraería corriente cero del circuito bajo prueba, y así no sufriría problemas de “impacto” de voltaje.

Si por casualidad tienes dos voltímetros, prueba esto: conecta un voltímetro a través de una resistencia y el otro voltímetro a través de la otra resistencia. Las lecturas de voltaje que obtenga sumarán el voltaje total esta vez, sin importar cuáles sean los valores de resistencia, aunque sean diferentes de las lecturas obtenidas de un solo medidor utilizado dos veces. Desafortunadamente, sin embargo, es poco probable que las lecturas de voltaje obtenidas de esta manera sean iguales a las verdaderas caídas de voltaje sin medidores conectados, por lo que no es una solución práctica al problema.
¿Hay alguna manera de hacer un voltímetro “perfecto”: uno que tenga una resistencia infinita y no extraiga corriente del circuito bajo prueba? Los voltímetros de laboratorio modernos abordan este objetivo mediante el uso de circuitos semiconductores “amplificadores”, pero este método es demasiado avanzado tecnológicamente para que el estudiante o aficionado lo duplique. Una técnica mucho más simple y mucho más antigua se llama el método potenciométrico o de equilibrio nulo. Esto implica usar una fuente de voltaje ajustable para “equilibrar” el voltaje medido. Cuando los dos voltajes son iguales, como lo indica un detector de nulos muy sensible, la fuente de voltaje ajustable se mide con un voltímetro ordinario. Debido a que las dos fuentes de voltaje son iguales entre sí, medir la fuente ajustable es lo mismo que medir a través del circuito de prueba, excepto que no hay error de “impacto” porque la fuente ajustable proporciona cualquier corriente que necesite el voltímetro. En consecuencia, el circuito bajo prueba no se ve afectado, permitiendo la medición de su verdadera caída de voltaje.

Examine el siguiente esquema para ver cómo se implementa el método del voltímetro potenciométrico:

El símbolo de círculo con la palabra “nulo” escrita en su interior representa el detector de nulos. Esto puede ser cualquier movimiento del medidor arbitrariamente sensible o indicador de voltaje. Su único propósito en este circuito es indicar cuando hay voltaje cero: cuando la fuente de voltaje ajustable (potenciómetro) es precisamente igual a la caída de voltaje en el circuito bajo prueba. Cuanto más sensible sea este detector de nulos, más precisamente se puede ajustar la fuente ajustable para igualar el voltaje bajo prueba, y más precisamente ese voltaje de prueba se puede medir.

Construya este circuito como se muestra en la ilustración y pruebe su funcionamiento midiendo la caída de voltaje a través de una de las resistencias de alto valor en el circuito de prueba. Puede ser más fácil usar un multímetro regular como detector de nulos al principio, hasta que se familiarice con el proceso de ajustar el potenciómetro para una indicación “nula”, luego leer el voltímetro conectado a través del potenciómetro.

Si está utilizando el detector de voltaje basado en auriculares como su medidor nulo, deberá hacer y romper intermitentemente el contacto con el circuito bajo prueba y escuchar sonidos de “clic”. Haga esto asegurando firmemente una de las sondas de prueba al circuito de prueba y tocando momentáneamente la otra sonda de prueba al otro punto del circuito de prueba una y otra vez, escuchando sonidos en los auriculares que indican una diferencia de voltaje entre el circuito de prueba y el potenciómetro. Ajusta el potenciómetro hasta que no se puedan escuchar sonidos de clic desde los auriculares. Esto indica una condición “nula” o “balanceada”, y puede leer la indicación del voltímetro para ver cuánto voltaje se cae a través de la resistencia del circuito de prueba. Desafortunadamente, el detector de nulos basado en auriculares no proporciona ninguna indicación de si el voltaje del potenciómetro es mayor o menor que el voltaje del circuito de prueba, por lo que tendrá que escuchar para disminuir la intensidad de “clic” mientras gira el potenciómetro para determinar si necesita ajustar el voltaje más alto o más bajo.

Puede encontrar que un potenciómetro de una sola vuelta (“3/4 vuelta”) es demasiado grueso de un dispositivo de ajuste para “anular” con precisión el circuito de medición. Se puede usar un potenciómetro de giro múltiple en lugar de la unidad de giro único para una mayor precisión de ajuste, o se puede usar el circuito de “potenciómetro de precisión” descrito en un experimento anterior.

Antes de la llegada de la tecnología de voltímetro amplificado, el método potenciométrico era el único método para realizar mediciones de voltaje de alta precisión. Incluso ahora, los laboratorios de estándares eléctricos hacen uso de esta técnica junto con la última tecnología de medidores para minimizar los errores de “impacto” del medidor y maximizar la precisión de medición. Aunque el método potenciométrico requiere más habilidad para usar que simplemente conectar un voltímetro digital moderno a través de un componente, y se considera obsoleto para todas las aplicaciones de medición excepto para las más precisas, sigue siendo un valioso proceso de aprendizaje para el nuevo estudiante de electrónica, y una técnica útil para el aficionado que puede carecer de instrumentación costosa en su laboratorio de origen.

SIMULACIÓN COMPU

Esquema con números de nodo SPICE:

Netlist (hacer un archivo de texto que contenga el siguiente texto, textualmente):

Esta simulación SPICE muestra el voltaje real a través de _R2 del circuito de prueba, el voltaje del detector nulo y el voltaje a través de la fuente de voltaje ajustable, ya que esa fuente se ajusta de 0 voltios a 6 voltios en pasos de 0.5 voltios. En la salida de esta simulación, notará que el voltaje a través de _R2 se ve impactado significativamente cuando el circuito de medición está desequilibrado, volviendo a su voltaje verdadero solo cuando hay prácticamente cero voltaje a través del detector nulo. En ese punto, por supuesto, la fuente de voltaje ajustable está en un valor de 3.000 voltios: exactamente igual a la caída de voltaje del circuito de prueba (no afectada).

¿Cuál es la lección que hay que aprender de esta simulación? Que un voltímetro potenciométrico evite impactar el circuito de prueba sólo cuando se encuentra en una condición de perfecto equilibrio (“nulo”) con el circuito de prueba!