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12.1: Voltímetros y Amperímetros de CA

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    Los movimientos del medidor electromecánico de CA vienen en dos disposiciones básicas: las basadas en diseños de movimiento de CC y las diseñadas específicamente para uso en CA. Los movimientos del medidor de bobina móvil de imán permanente (PMMC) no funcionarán correctamente si están conectados directamente a corriente alterna, ya que la dirección del movimiento de la aguja cambiará con cada medio ciclo de la CA. (Figura abajo) Los movimientos del medidor de imán permanente, como los motores de imán permanente, son dispositivos cuyo movimiento depende de la polaridad del voltaje aplicado (o, se puede pensar en ello en términos de la dirección de la corriente).

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    El paso AC a través de este movimiento del medidor D'Arsonval provoca un aleteo inútil de la aguja.

    Para utilizar un movimiento de medidor de estilo CC, como el diseño D'Arsonval, la corriente alterna debe rectificarse en CC. Esto se logra más fácilmente mediante el uso de dispositivos llamados diodos. Vimos diodos utilizados en un circuito de ejemplo que demuestra la creación de frecuencias armónicas a partir de una onda sinusoidal distorsionada (o rectificada). Sin entrar en detalles elaborados sobre cómo y por qué los diodos funcionan como lo hacen, solo recuerda que cada uno actúa como una válvula unidireccional para que fluyan los electrones: actuando como conductor para una polaridad y como aislante para otra. Por extraño que parezca, la punta de flecha en cada símbolo de diodo apunta contra la dirección permitida del flujo de electrones en lugar de con ella como cabría esperar. Dispuestos en un puente, cuatro diodos servirán para dirigir la CA a través del movimiento del medidor en una dirección constante a lo largo de todas las partes del ciclo de CA: (Figura abajo)

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    El paso de CA a través de este movimiento de medidor de CA rectificado lo conducirá en una dirección.

    Otra estrategia para un movimiento práctico de medidor de CA es rediseñar el movimiento sin la sensibilidad de polaridad inherente de los tipos de CC. Esto significa evitar el uso de imanes permanentes. Probablemente el diseño más simple es usar una paleta de hierro no magnetizada para mover la aguja contra la tensión del resorte, siendo atraída la paleta hacia una bobina estacionaria de alambre energizada por la cantidad de CA a medir como en la Figura a continuación.

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    Movimiento del medidor electromecánico de paletas de hierro.

    La atracción electrostática entre dos placas metálicas separadas por un entrehierro es un mecanismo alternativo para generar una fuerza de movimiento de aguja proporcional al voltaje aplicado. Esto funciona igual de bien para AC como lo hace para DC, o debería decir, ¡igual de mal! Las fuerzas involucradas son muy pequeñas, mucho más pequeñas que la atracción magnética entre una bobina energizada y una paleta de hierro, y como tales estos movimientos de medidor “electrostáticos” tienden a ser frágiles y fácilmente perturbados por el movimiento físico. Pero, para algunas aplicaciones de CA de alto voltaje, el movimiento electrostático es una tecnología elegante. Si nada más, esta tecnología posee la ventaja de una impedancia de entrada extremadamente alta, lo que significa que no es necesario extraer corriente del circuito bajo prueba. Además, los movimientos electrostáticos del medidor son capaces de medir voltajes muy altos sin necesidad de resistencias de rango u otros aparatos externos.

    Cuando se necesita cambiar el rango de un movimiento sensible del medidor para funcionar como voltímetro de CA, se pueden emplear resistencias “multiplicadoras” conectadas en serie y/o divisores de voltaje resistivos tal como en el diseño del medidor de CC: (Figura a continuación)

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    La resistencia multiplicadora (a) o el divisor resistivo (b) escala el rango del movimiento básico del medidor.

    Sin embargo, se pueden usar capacitores en lugar de resistencias para hacer circuitos divisores de voltímetro. Esta estrategia tiene la ventaja de ser no disipativa (no se consume energía verdadera y no se produce calor): (Figura a continuación)

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    Voltímetro AC con divisor capacitivo.

    Si el movimiento del medidor es electrostático y, por lo tanto, de naturaleza inherentemente capacitiva, se puede conectar un solo condensador “multiplicador” en serie para darle un mayor rango de medición de voltaje, así como una resistencia multiplicadora conectada en serie le da a un movimiento de medidor de bobina móvil (inherentemente resistiva) un voltaje mayor rango: (Figura abajo)

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    Un movimiento de medidor electrostático puede usar un multiplicador capacitivo para multiplicar la escala del movimiento básico del medidor.

    El tubo de rayos catódicos (CRT) mencionado en el capítulo de medición de CC es ideal para medir voltajes de CA, especialmente si el haz de electrones se barre de lado a lado a través de la pantalla del tubo mientras que el voltaje de CA medido impulsa el haz hacia arriba y hacia abajo. Una representación gráfica de la forma de onda de CA y no solo una medición de magnitud se puede tener fácilmente con dicho dispositivo. Sin embargo, los TRC tienen las desventajas de peso, tamaño, consumo de energía significativo y fragilidad (estar hechos de vidrio evacuado) trabajando contra ellos. Por estas razones, los movimientos electromecánicos del medidor de CA aún tienen un lugar en el uso práctico.

    Dado que ya se han discutido algunas de las ventajas y desventajas de estas tecnologías de movimiento de medidores, hay otro factor de importancia crucial para que el diseñador y usuario de los instrumentos de medición de CA esté al tanto. Este es el tema de la medición RMS. Como ya sabemos, las mediciones de CA a menudo se emiten en una escala de equivalencia de potencia CC, llamada RMS (R oot- M ean-S quare) en aras de comparaciones significativas con CC y con otras formas de onda de CA de forma variable. Ninguna de las tecnologías de movimiento del medidor discutidas hasta ahora mide inherentemente el valor RMS de una cantidad de CA. Los movimientos del medidor basados en el movimiento de una aguja mecánica (D'Arsonval “rectificada”, paleta de hierro y electrostática) tienden a promediar mecánicamente los valores instantáneos en un valor promedio general para la forma de onda. Este valor promedio no es necesariamente el mismo que RMS, aunque muchas veces se confunde como tal. Los valores promedio y RMS se relacionan entre sí como tales para estas tres formas de onda comunes: (Figura a continuación)

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    Valores RMS, Promedio y Pico a Pico para ondas sinusoidales, cuadradas y triangulares.

    Dado que RMS parece ser el tipo de medición que la mayoría de la gente está interesada en obtener con un instrumento, y los movimientos electromecánicos del medidor entregan naturalmente mediciones promedio en lugar de RMS, ¿qué deben hacer los diseñadores de medidores de CA? ¡Tramposo, claro! Normalmente se hace la suposición de que la forma de onda a medir va a ser sinusoidal (con mucho la más común, especialmente para los sistemas de potencia), y luego la escala de movimiento del medidor se altera por el factor de multiplicación apropiado. Para las ondas sinusoidales vemos que RMS es igual a 0.707 veces el valor pico mientras que Promedio es 0.637 veces el pico, por lo que podemos dividir una cifra entre la otra para obtener un factor de conversión Promedio a RMS de 1.109:

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    Es decir, el movimiento del medidor se calibrará para indicar aproximadamente 1.11 veces más alto de lo que normalmente (naturalmente) indicaría sin acomodaciones especiales. Hay que destacar que este “tramposo” sólo funciona bien cuando se utiliza el medidor para medir fuentes de onda sinusoidal pura. Tenga en cuenta que para las ondas triangulares, la relación entre RMS y Promedio no es la misma que para las ondas sinusoidales:

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    ¡Con ondas cuadradas, los valores RMS y Promedio son idénticos! Un medidor de CA calibrado para leer con precisión el voltaje o la corriente RMS en una onda sinusoidal pura no dará el valor adecuado al tiempo que indica la magnitud de cualquier otra cosa que no sea una onda sinusoidal perfecta. Esto incluye ondas triangulares, ondas cuadradas o cualquier tipo de onda sinusoidal distorsionada. Con los armónicos convirtiéndose en un fenómeno siempre presente en los grandes sistemas de alimentación de CA, esta cuestión de medición RMS precisa no es poca cosa.

    El lector astuto notará que he omitido el “movimiento” de la CRT de la discusión de RMS/Promedio. Esto se debe a que un CRT con su “movimiento” de haz de electrones prácticamente ingrávido muestra el pico (o pico a pico si lo desea) de una forma de onda de CA en lugar de Promedio o RMS. Aún así, surge un problema similar: ¿cómo se determina el valor RMS de una forma de onda a partir de él? Los factores de conversión entre Pico y RMS solo se mantienen siempre y cuando la forma de onda caiga perfectamente en una categoría conocida de forma (¡seno, triángulo y cuadrado son los únicos ejemplos con factores de conversión pico/RMS/promedio que se dan aquí!).

    Una respuesta es diseñar el movimiento del medidor alrededor de la definición misma de RMS: el valor de calentamiento efectivo de una tensión/corriente CA ya que alimenta una carga resistiva. Supongamos que la fuente de CA a medir está conectada a través de una resistencia de valor conocido, y la salida de calor de esa resistencia se mide con un dispositivo como un termopar. Esto proporcionaría un medio de medición de RMS mucho más directo que cualquier factor de conversión, ya que funcionará con CUALQUIER forma de onda: (Figura abajo)

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    El voltímetro RMS térmico de lectura directa se adapta a cualquier forma de onda.

    Si bien el dispositivo que se muestra arriba es algo crudo y sufriría problemas de ingeniería únicos propios, el concepto ilustrado es muy sólido. La resistencia convierte el voltaje de CA o la cantidad de corriente en una cantidad térmica (calor), cuadrando efectivamente los valores en tiempo real. La masa del sistema funciona para promediar estos valores por el principio de inercia térmica, y luego la escala del medidor en sí se calibra para dar una indicación basada en la raíz cuadrada de la medición térmica: ¡indicación perfecta Root-Mean-Square todo en un solo dispositivo! De hecho, un importante fabricante de instrumentos ha implementado esta técnica en su línea de alta gama de multímetros electrónicos portátiles para la capacidad de “True-RMS”.

    Calibrar voltímetros y amperímetros de CA para diferentes rangos de operación a gran escala es casi lo mismo que con los instrumentos de CC: las resistencias “multiplicadoras” en serie se utilizan para dar un rango más alto a los movimientos del voltímetro, y las resistencias paralelas de “derivación” se utilizan para permitir que los movimientos de amperímetro midan corrientes más allá de su natural gama. Sin embargo, no nos limitamos a estas técnicas como estábamos con DC: debido a que podemos usar transformadores con CA, los rangos de los medidores pueden ser electromagnéticamente más que resistivamente “escalonados” o “bajados”, a veces mucho más allá de lo que las resistencias habrían permitido prácticamente. Los transformadores de potencial (PT) y los transformadores de corriente (CT) son dispositivos de instrumentos de precisión fabricados para producir relaciones de transformación muy precisas entre devanados primarios y secundarios. Pueden permitir movimientos pequeños y simples del medidor de CA para indicar tensiones y corrientes extremadamente altas en sistemas de energía con precisión y aislamiento eléctrico completo (algo que las resistencias multiplicadoras y derivadoras nunca podrían hacer): (Figura abajo)

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    (CT) El transformador de corriente escala la corriente hacia abajo. (PT) El transformador potencial escala el voltaje hacia abajo.

    Aquí se muestra un panel medidor de voltaje y corriente de un sistema trifásico de CA. Los tres transformadores de corriente “donut” (CT) se pueden ver en la parte posterior del panel. Tres amperímetros de CA (desviación nominal de 5 amperios a escala completa cada uno) en la parte frontal del panel indican corriente a través de cada conductor pasando por un CT. Como este panel ha sido retirado del servicio, ya no hay conductores portadores de corriente roscados a través del centro de las “rosquillas” CT: (Figura abajo)

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    Los transformadores de corriente toroidales reducen los niveles de corriente altos para su aplicación a amperímetros de CA a escala completa de 5 A.

    Debido al gasto (y a menudo de gran tamaño) de los transformadores de instrumentos, no se utilizan para escalar medidores de CA para ninguna aplicación que no sea alta tensión y alta corriente. Para escalar un movimiento de miliamperios o microamperios a un rango de 120 voltios o 5 amperios, se utilizan resistencias de precisión normales (multiplicadores y derivaciones), al igual que con CC.

    Revisar

    • Los movimientos de los medidores polarizados (CC) deben usar dispositivos llamados diodos para poder indicar cantidades de CA.
    • Los movimientos electromecánicos del medidor, ya sean electromagnéticos o electrostáticos, proporcionan naturalmente el valor promedio de una cantidad de CA medida. Estos instrumentos pueden variar para indicar el valor RMS, ¡pero solo si la forma de la forma de onda de CA se conoce con precisión de antemano!
    • Los llamados medidores RMS verdaderos utilizan diferentes tecnologías para proporcionar indicaciones que representan el RMS real (en lugar del promedio o pico sesgado) de una forma de onda de CA.

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