Amperímetro

Un amperímetro (abreviatura de medidor de amperios ) es un instrumento que se utiliza para medir la corriente en un circuito . Las corrientes eléctricas se miden en amperios (A), de ahí su nombre. Para la medición directa, el amperímetro se conecta en serie con el circuito en el que se desea medir la corriente. Un amperímetro suele tener una baja resistencia para no provocar una caída de tensión significativa en el circuito que se está midiendo.

Los instrumentos utilizados para medir corrientes pequeñas, en el rango de miliamperios o microamperios, se denominan miliamperímetros o microamperímetros . Los primeros amperímetros eran instrumentos de laboratorio que dependían del campo magnético terrestre para su funcionamiento. A finales del  siglo XIX, se diseñaron instrumentos mejorados que podían montarse en cualquier posición y permitían mediciones precisas en sistemas de energía eléctrica . Generalmente se representa con la letra 'A' en un circuito.

La relación entre la corriente eléctrica, los campos magnéticos y las fuerzas físicas fue observada por primera vez por Hans Christian Ørsted en 1820, quien notó que la aguja de una brújula se desviaba de apuntar al norte cuando una corriente fluía por un cable adyacente. El galvanómetro tangente se utilizó para medir corrientes mediante este efecto, donde la fuerza restauradora que devolvía la aguja a la posición cero era proporcionada por el campo magnético terrestre. Esto hacía que estos instrumentos solo pudieran utilizarse cuando estaban alineados con el campo terrestre. La sensibilidad del instrumento se incrementó utilizando vueltas adicionales de alambre para multiplicar el efecto; estos instrumentos se denominaron "multiplicadores". ^{[ 1 ]}

El término reoscopio, como detector de corrientes eléctricas, fue acuñado por Sir Charles Wheatstone alrededor de 1840, pero ya no se usa para describir instrumentos eléctricos. El término «composición» es similar al de reóstato (también acuñado por Wheatstone), que era un dispositivo utilizado para ajustar la corriente en un circuito. Reóstato es un término histórico para una resistencia variable, aunque, a diferencia de reoscopio, todavía se puede encontrar. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Algunos instrumentos son medidores de panel , diseñados para ser montados en algún tipo de panel de control . De estos, el tipo plano, horizontal o vertical se suele denominar medidor de canto .

bobina móvil

El galvanómetro de D'Arsonval es un amperímetro de bobina móvil. Utiliza la deflexión magnética , donde la corriente que pasa a través de una bobina colocada en el campo magnético de un imán permanente provoca el movimiento de la bobina. La versión moderna de este instrumento fue desarrollada por Edward Weston y utiliza dos resortes helicoidales para proporcionar la fuerza restauradora. El entrehierro uniforme entre el núcleo de hierro y los polos del imán permanente hace que la deflexión del medidor sea directamente proporcional a la corriente. Estos medidores tienen escalas lineales. Los mecanismos básicos de los medidores pueden tener una deflexión a escala completa para corrientes de aproximadamente 25 microamperios a 10 miliamperios . ^{[ 4 ]}  

Debido a que el campo magnético está polarizado, la aguja del medidor actúa en direcciones opuestas para cada dirección de corriente.  Por lo tanto, un amperímetro de CC es sensible a la polaridad con la que se conecta; la mayoría están marcados con un terminal positivo, pero algunos tienen mecanismos de cero central ^{[ a ]} y pueden mostrar corrientes en cualquier dirección. Un medidor de bobina móvil indica el valor promedio (media) de una corriente variable que lo atraviesa ^{[ b ]} , que es cero para CA. Por esta razón, los medidores de bobina móvil solo se pueden usar directamente para CC, no para CA.

Este tipo de mecanismo de medición es extremadamente común tanto en amperímetros como en otros medidores derivados de ellos, como voltímetros y ohmímetros .

Hierro móvil

Los amperímetros de hierro móvil utilizan una pieza de hierro que se mueve al ser sometida a la fuerza electromagnética de una bobina fija de alambre. El medidor de hierro móvil fue inventado por el ingeniero austriaco Friedrich Drexler en 1884. ^{[ 5 ]} Este tipo de medidor responde tanto a corrientes continuas como alternas (a diferencia del amperímetro de bobina móvil, que funciona solo con corriente continua ). El elemento de hierro consta de una paleta móvil unida a un puntero y una paleta fija, rodeada por una bobina. A medida que la corriente alterna o continua fluye a través de la bobina e induce un campo magnético en ambas paletas, estas se repelen entre sí y la paleta móvil se desvía contra la fuerza restauradora proporcionada por finos resortes helicoidales. ^{[ 4 ]} La desviación de un medidor de hierro móvil es proporcional al cuadrado de la corriente. En consecuencia, estos medidores normalmente tendrían una escala no lineal, pero las piezas de hierro suelen modificarse en forma para que la escala sea bastante lineal en la mayor parte de su rango. Los instrumentos de hierro móvil indican el valor RMS de cualquier forma de onda de CA aplicada. Los amperímetros de hierro móvil se utilizan habitualmente para medir la corriente en circuitos de corriente alterna de frecuencia industrial.

Cable caliente

En un amperímetro de hilo caliente, una corriente pasa a través de un hilo que se expande al calentarse. Aunque estos instrumentos tienen un tiempo de respuesta lento y baja precisión, a veces se utilizaban para medir corriente de radiofrecuencia. ^{[ 4 ]} También miden el verdadero valor eficaz (RMS) de una corriente alterna aplicada.

Integración

También existe una gama de dispositivos denominados amperímetros integradores. ^{[ 6 ] [ 7 ]} En estos amperímetros, la corriente se suma a lo largo del tiempo, obteniendo como resultado el producto de la corriente y el tiempo, que es proporcional a la carga eléctrica transferida con dicha corriente. Estos se pueden utilizar para medir energía (la carga debe multiplicarse por el voltaje para obtener energía) o para estimar la carga de una batería o un condensador .

Un picoamperímetro mide corrientes eléctricas muy bajas, generalmente desde el rango de picoamperios hasta el de miliamperios. Los picoamperímetros se utilizan cuando la corriente que se mide está por debajo de los límites de sensibilidad de otros dispositivos, como los multímetros .

La mayoría de los picoamperímetros utilizan una técnica de "cortocircuito virtual" y tienen varios rangos de medición diferentes que deben cambiarse para cubrir varias décadas de medición . Otros picoamperímetros modernos utilizan compresión logarítmica y un método de "sumidero de corriente" que elimina el cambio de rango y los picos de voltaje asociados . ^{[ 8 ]} Se deben observar consideraciones especiales de diseño y uso para reducir la corriente de fuga que puede ensuciar las mediciones, como aisladores especiales y blindajes impulsados . El cable triaxial se usa frecuentemente para las conexiones de sonda.

Los amperímetros deben conectarse en serie con el circuito que se va a medir. Para corrientes relativamente pequeñas (hasta unos pocos amperios), un amperímetro puede dejar pasar toda la corriente del circuito. Para corrientes continuas mayores, una resistencia en derivación conduce la mayor parte de la corriente del circuito y una pequeña fracción, conocida con precisión, pasa a través del mecanismo del medidor. Para circuitos de corriente alterna, se puede usar un transformador de corriente para proporcionar una corriente pequeña y conveniente para alimentar un instrumento, como 1 o 5 amperios, mientras que la corriente primaria que se va a medir es mucho mayor (hasta miles de amperios). El uso de una resistencia en derivación o un transformador de corriente también permite ubicar convenientemente el medidor indicador sin necesidad de tender conductores de circuito gruesos hasta el punto de observación. En el caso de la corriente alterna, el uso de un transformador de corriente también aísla el medidor de la alta tensión del circuito primario. Una resistencia en derivación no proporciona tal aislamiento para un amperímetro de corriente continua, pero cuando se utilizan altas tensiones, puede ser posible colocar el amperímetro en el lado de "retorno" del circuito, que puede estar a un potencial bajo con respecto a tierra.

Los amperímetros no deben conectarse directamente a una fuente de voltaje, ya que su resistencia interna es muy baja y se produciría un exceso de corriente. Los amperímetros están diseñados para soportar una baja caída de voltaje entre sus terminales, mucho menor que un voltio; las pérdidas adicionales que produce el amperímetro en el circuito medido se denominan su "carga" (I).

Los mecanismos de medición de tipo Weston convencionales solo pueden medir miliamperios como máximo, ya que los resortes y las bobinas prácticas solo pueden soportar corrientes limitadas. Para medir corrientes mayores, se coloca una resistencia , denominada derivación, en paralelo con el medidor. La resistencia de las derivaciones se encuentra en el rango de miliohmios enteros a fracciones. Casi toda la corriente fluye a través de la derivación, y solo una pequeña fracción fluye a través del medidor. Esto permite que el medidor mida corrientes elevadas. Tradicionalmente, el medidor utilizado con una derivación tiene una desviación a escala completa (FSD) de 50 mV , por lo que las derivaciones suelen diseñarse para producir una caída de tensión de 50 mV cuando soportan su corriente nominal máxima.

Para construir un amperímetro multirrango, se puede usar un interruptor selector para conectar una de varias resistencias de derivación a través del medidor. Debe ser un interruptor de cierre antes de la desconexión para evitar sobretensiones dañinas en el mecanismo del medidor al cambiar de rango.

Una mejor solución es la derivación de Ayrton o derivación universal, inventada por William E. Ayrton , que no requiere un interruptor de cierre antes de la desconexión. Además, evita cualquier imprecisión debida a la resistencia de contacto. En la figura, suponiendo, por ejemplo, un mecanismo con una tensión de escala completa de 50  mV y rangos de corriente deseados de 10  mA, 100  mA y 1  A, los valores de resistencia serían: R1 = 4,5  ohmios, R2 = 0,45  ohmios, R3 = 0,05  ohmios. Y si la resistencia del mecanismo es de 1000  ohmios, por ejemplo, R1 debe ajustarse a 4,525  ohmios.

Los derivadores conmutados rara vez se utilizan para corrientes superiores a 10 amperios.

Los amperímetros de centro cero se utilizan en aplicaciones que requieren la medición de corriente con ambas polaridades, comunes en equipos científicos e industriales. También se suelen conectar en serie con una batería . En esta aplicación, la carga de la batería desvía la aguja hacia un lado de la escala (generalmente, hacia la derecha) y la descarga de la batería la desvía hacia el otro lado. Un tipo especial de amperímetro de centro cero para medir altas corrientes en automóviles y camiones cuenta con un imán de barra pivotante que mueve la aguja y un imán de barra fijo que la mantiene centrada en ausencia de corriente. El campo magnético alrededor del cable que transporta la corriente a medir desvía el imán móvil.

Dado que la resistencia de derivación del amperímetro es muy baja, conectar erróneamente el amperímetro en paralelo con una fuente de voltaje provocará un cortocircuito , en el mejor de los casos fundiendo un fusible, posiblemente dañando el instrumento y el cableado, y exponiendo a un observador a sufrir lesiones.

En los circuitos de corriente alterna (CA), se puede usar un transformador de corriente para convertir la gran corriente del circuito principal en una corriente menor más adecuada para un medidor. Algunos diseños de transformadores pueden convertir directamente el campo magnético alrededor de un conductor en una pequeña corriente alterna, generalmente de 1 A o 5 A a su corriente nominal máxima, que se puede leer fácilmente con un medidor. De manera similar, se han construido amperímetros sin contacto de CA/CC precisos utilizando sensores de campo magnético de efecto Hall . Un amperímetro portátil de pinza es una herramienta común para el mantenimiento de equipos eléctricos industriales y comerciales, que se sujeta temporalmente a un cable para medir la corriente. Algunos modelos recientes tienen un par paralelo de sondas magnéticamente flexibles que se colocan a ambos lados del conductor.

En aceleradores de partículas y fuentes de luz de sincrotrón, se utilizan amperímetros de altísima sensibilidad, conocidos como picoamperímetros , para medir las diminutas corrientes generadas por fotodiodos y otros monitores de posición del haz (BPM). Estos instrumentos suelen proporcionar múltiples canales de entrada de bajo ruido con sensibilidad de femtoamperios a microamperios, lo que permite determinar en tiempo real la posición e intensidad del haz de fotones. Estos dispositivos son cruciales para la estabilización del haz y los sistemas de retroalimentación en instalaciones como la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne, donde se emplean picoamperímetros personalizados para garantizar un control preciso de la órbita y un mejor rendimiento de la línea de haz. ^{[ 9 ]}

• Kuphaldt, Tony R. (2000–2023). "Capítulo  8: Circuitos de medición de CC" . Lecciones de circuitos eléctricos . Vol.  1: CC (edición de libro electrónico gratuito  ).— de la página principal de la serie Lecciones de Circuitos Eléctricos
• Amperímetro: dispositivo que mide la corriente eléctrica en un circuito.