VOLTIMETRO ANALOGICO

Muchos de nosotros hemos visto un multímetro analógico, lo hemos utilizado para tomar un valor ya sea de voltaje, corriente o resistencia, pero ¿qué provoca que la afuja se deflexione?. ¿Cómo es posible que podamos cambiar la escala de medición y se siga empleando la misma carátula? En esta oportunidad construiremos un voltímetro analógico multi-rango, basándonos en una carátula analógica.

DESARROLLO

La utilidad de un voltímetro analógico es muy amplia, aunque en la actualidad predominan los instrumentos de medición digitales y a este respecto, en una entrega siguiente veremos las ventajas y desventajas de los instrumentos digitales sobre los analógicos.

Para diseñar un voltímetro analógico lo primero que debe conseguirse es un galvanómetro, ya que éste es el medio por el que se representarán los valores de voltaje que se están midiendo.

El galvanómetro, es un dispositivo formado a partir de un inductor, el cual genera un campo magnético cuando una cierta magnitud de corriente circula a través de él. El inductor o bobina se encuentra instalado dentro de un imán fijo y al combinarse los campos magnéticos de ambos, es cuando se produce el movimiento de una carcasa metálica, que a su vez lleva sobre sí la aguja indicadora que de acuerdo a su movimiento, es el valor de voltaje al que estará apuntando. La combinación de los campos magnéticos tiene que vencer la fuerza de un resorte. El resorte es el encargado de reposicionar a la aguja a su punto de inicio o también llamado de referencia. El resorte actúa cuando ninguna corriente circula por la bobina del galvanómetro, sucediendo esto último cuando el voltaje que se mide es igual a 0V.

En la actualidad se pueden conseguir galvanómetros no tan caros, e inclusive nuevos, de los cuales no importa la graduación que tenga su o sus escalas de medición, y tampoco importa el hecho de que sólo posea una escala fija.

En la figura 3 se observa que una vez que se destapa la carátula, existe un resistor limitador de corriente (en la mayoría de las carátulas de una sola escala), el cual se tiene que quitar para que se puedan diseñar las escalas de los rangos de nuestro voltímetro. En la figura 4 se observa al galvanómetro ya sin la carátula, el cual una vez que le fue retirado el resistor limitador, se le tienen que soldar un par de cables para conectar los extremos de la bobina del galvanómetro con el circuito que diseñaremos, procurando identificar en todo momento cuál Terminal se conectará al potencial positivo y cuál al negativo, y por último se vuelve a colocar al galvanómetro dentro de su cobertura de plástico para que se proteja y podamos diseñar el circuito del voltímetro multi-rango.

Lo primero que se debe conocer son los parámetros eléctricos del galvanómetro, es decir tanto el valor de la corriente máxima que soporta (Im), como el de la resistencia de la bobina (rm).

Existen 2 maneras de conocer estos parámetros: la primera de ellas es utilizar un óhmetro y de forma inmediata conocer el valor resistivo de la bobina del galvanómetro y por ley de ohm calcular el valor de la corriente máxima que soporta, en función a un voltaje que se le aplique a las terminales de la bobina. Pero este método pone en riesgo la integridad del galvanómetro, por lo que no se sugiere a menos que se le aplique un voltaje pequeño.

La segunda forma es mediante un circuito de prueba, el cual se ilustra en la figura 5.

En este circuito de prueba, entre las terminales CN1 y CN2, se coloca tanto una fuente de voltaje fija a 10 VCD, como un resistor variable RL con un rango de 0W a 50KW (cuya misión es limitar la corriente que circulara por el galvanómetro), se debe colocar primeramente el valor máximo de RL, esto es 50KW para proteger la bobina del galvanómetro. La resistencia de la bobina del galvanómetro está representada en el diagrama de la figura 4 mediante el resistor rm, cuyo valor desconocemos y posteriormente procederemos a calcular. Tenemos que conectar de forma paralela a rm un resistor variable RD que trabaje en un rango de 0W a 2KW, y una vez armado el circuito de la figura 4 se procede a realizar lo siguiente.

RD lo quitamos provisionalmente para que se represente con un valor resistivo infinito en el circuito de prueba, lo que provocará que a través de la bobina del galvanómetro no circule corriente, ahora se tiene que manipular RL de tal manera que se vaya bajando su valor de resistencia, hasta que se obtenga el desplazamiento máximo de la aguja del galvanómetro. Una vez que se ha conseguido este movimiento con un óhmetro, se mide el valor de resistencia de RL.

Después RL se queda con el último valor medido y ya no se moverá, por lo que ahora se vuelve a conectar RD, el cual previamente se tuvo que fijar con su valor máximo de resistencia 2KW, y a partir de este valor tiene que ir disminuyendo su valor de resistivo. Lo que se observará en la aguja del galvanómetro es que ésta comenzará a moverse hacia su punto de reposo, debido a que el valor de resistencia de RD va adquiriendo valores menores. En el instante que la aguja llega a la mitad de su escala, quiere decir que tanto la corriente a través de RD, como en la bobina del galvanómetro, son del mismo valor y por relación de resistores en paralelo; eso significa que en esa posición el valor de resistencia de RD es de la misma magnitud que rm (resistencia de la bobina del galvanómetro). Posteriormente con un óhmetro se mide el valor de resistencia de RD que es igual a rm.

Por último, volvemos a recurrir al circuito de la figura 4 desconectando nuevamente RD, y como ya se cuenta con los valores de rm (ya que rm = RD), RL y el voltaje de la fuente que es de 10VCD, se procede ahora a calcular el valor de la máxima corriente Im que soporta la bobina del galvanómetro, de acuerdo a la siguiente ecuación Im = VoltajeRL + rm .

Ya contamos con los valores eléctricos del galvanómetro tales como rm e Im, por lo que como paso siguiente, vamos a enfocarnos en el diseño del voltímetro multi-rango, por lo que partiremos del circuito de la figura 6.

En el circuito del voltímetro multirango se observa una serie de resistores, cuya denominación va desde RM1 hasta RM4, éstos son resistores multiplicadores que se emplean para crear las escalas con las cuales trabajará nuestro voltímetro, por lo tanto existirán tantos resistores multiplicadores como escalas de voltaje se requieran.

Existe una llave selectora denominada SW1, por medio de la cual se elige la escala con la que se medirá el voltaje, y de acuerdo al circuito de la figura 6 la selección de la escala también implica el número de resistores limitadores que actuarán en el voltímetro, por ejemplo para la escala 1 (Vesc1) sólo interviene RM1 y rm obviamente, para la escala 2 (Vesc2) intervienen RM1, RM2 y rm, y así sucesivamente.

El cálculo de los resistores RMx surge del conocimiento de los valores de rm e Im, y del manejo de las de leyes de Kirchoff y la infaltable LEY DE OHM, de acuerdo a lo siguiente.

 
CALCULO DE RM1
Para ello debemos colocar la llave selectora SW1 en la posición Vesc1, por lo que el rango de operación del voltímetro para esta escala la debemos conocer, vamos a suponer que para esta escala queremos que el voltímetro mida valores de voltaje de entre 0V a 1V. El circuito resultante esta representado en la figura 7, y de ahí se determina que Vesc1 = (RM1 + rm) Im de donde despejamos RM1 quedando lo siguiente: RM1 = Vesc1Im - rm.
 
CALCULO DE RM2
Ahora debemos colocar la llave selectora en la ubicación Vesc2, en donde nosotros debemos establecer la escala para este rango, por lo que vamos a suponer que en esta escala se medirán voltajes desde 0V hasta 10V. La ecuación del Vesc2 = (RM1 + RM2 + rm) Im de donde despejamos RM2 quedando lo siguiente: RM2 = Vesc2Im - (rm + RM1). Y así sucesivamente para todas las escalas, en la tabla 1 se muestran todas las ecuaciones.

En la figura 9 se muestra el circuito impreso donde se alojarán los dispositivos del voltímetro multi-rango.

El listado de material esta propuesto en función a los valores que se proponen de acuerdo a lo siguiente:

Parámetros eléctricos del galvanómetro:
Im = 868.1 mAmp
rm = 157.4 W
Rango del Vesc1 de 0VCD a 1.5 VCD
Rango del Vesc2 de 0 VCD a 15 VCD
Rango del Vesc3 de 0 VCD a 100 VCD
Rango del Vesc4 de 0 VCD a 200 VCD

El diagrama esquemático fue realizado en Livewire y el circuito impreso en PCB Wizard.

 
Autor: Ismael Cervantes de Anda
Email: icervantes@saberinternacional.com.mx
 
FIGURA 1
 
FIGURA 2 - 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5
 
FIGURA 6
 
FIGURA 7
 
FIGURA 8 - 9
 
FIGURA 10
 
TABLA 1
 
MATERIALES