Voltímetro

Un voltímetro es un instrumento que se utiliza para medir la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito eléctrico . Se conecta en paralelo y suele tener una alta resistencia para que consuma una corriente mínima del circuito.

Los voltímetros analógicos mueven una aguja a lo largo de una escala en proporción al voltaje medido y pueden construirse con un galvanómetro y una resistencia en serie . Los medidores que utilizan amplificadores pueden medir voltajes muy bajos, de microvoltios o menos. Los voltímetros digitales muestran el voltaje numéricamente mediante un convertidor analógico-digital .

Los voltímetros se fabrican en una amplia variedad de estilos, algunos con alimentación independiente (por ejemplo, mediante batería) y otros alimentados por la propia fuente de voltaje medida. Los instrumentos instalados permanentemente en un panel se utilizan para monitorizar generadores u otros aparatos fijos. Los instrumentos portátiles, que suelen estar equipados para medir también la corriente y la resistencia (como un multímetro) , son instrumentos de prueba estándar en trabajos eléctricos y electrónicos. Cualquier medición que pueda convertirse en voltaje puede visualizarse en un medidor debidamente calibrado; por ejemplo, la presión, la temperatura, el caudal o el nivel en una planta de procesamiento químico.

Los voltímetros analógicos de uso general pueden tener una precisión de unos pocos por ciento de la escala completa y se utilizan con voltajes desde una fracción de voltio hasta varios miles de voltios. Los medidores digitales pueden fabricarse con alta precisión, generalmente superior al 1 %. Los instrumentos de prueba especialmente calibrados tienen mayor precisión, y los instrumentos de laboratorio pueden medir con una precisión de unas pocas partes por millón. Parte del problema de fabricar un voltímetro preciso radica en su calibración para verificar su exactitud. En los laboratorios, la pila de Weston se utiliza como voltaje estándar para trabajos de precisión. Existen referencias de voltaje de precisión basadas en circuitos electrónicos.

En los diagramas de circuitos, un voltímetro se representa con la letra V dentro de un círculo, con dos líneas que emergen y que representan los dos puntos de medición.

Un galvanómetro de bobina móvil puede utilizarse como voltímetro insertando una resistencia en serie con el instrumento. El galvanómetro consta de una bobina de hilo fino suspendida en un campo magnético intenso. Al aplicar una corriente eléctrica, la interacción entre el campo magnético de la bobina y el imán fijo genera un par de torsión que tiende a hacer girar la bobina. Este par de torsión es proporcional a la corriente que circula por la bobina. Al girar, la bobina comprime un resorte que se opone a la rotación. Por lo tanto, la deflexión de la bobina es proporcional a la corriente, que a su vez es proporcional al voltaje aplicado, indicado por una aguja en una escala.

Uno de los objetivos de diseño del instrumento es alterar el circuito lo menos posible, por lo que debe consumir una corriente mínima para su funcionamiento. Esto se logra utilizando un galvanómetro sensible en serie con una resistencia alta, y luego conectando todo el instrumento en paralelo con el circuito analizado.

La sensibilidad de dicho medidor se puede expresar como "ohmios por voltio", que es el número de ohmios de resistencia en el circuito del medidor dividido por el valor medido a escala completa. Por ejemplo, un medidor con una sensibilidad de 1000 ohmios por voltio consumiría 1 miliamperio a la tensión de escala completa; si la escala completa fuera de 200 voltios, la resistencia en los terminales del instrumento seríaCon una impedancia de 200 000 ohmios y a escala completa, el medidor consumiría 1 miliamperio del circuito bajo prueba. En el caso de instrumentos multirrango, la resistencia de entrada varía al cambiar entre los diferentes rangos.

Los instrumentos de bobina móvil con campo magnético permanente solo responden a corriente continua. La medición de voltaje alterno requiere un rectificador en el circuito para que la bobina se desvíe en una sola dirección. Algunos instrumentos de bobina móvil también tienen el cero en el centro de la escala en lugar de en un extremo; estos son útiles si el voltaje invierte su polaridad.

Los voltímetros que funcionan según el principio electrostático utilizan la repulsión mutua entre dos placas cargadas para desviar una aguja conectada a un resorte. Estos medidores consumen una corriente mínima, pero son sensibles a voltajes superiores a unos 100 voltios y funcionan tanto con corriente alterna como continua.

La sensibilidad y la resistencia de entrada de un voltímetro pueden incrementarse si la corriente necesaria para desviar la aguja se suministra mediante un amplificador y una fuente de alimentación, en lugar de por el circuito bajo prueba. El amplificador electrónico entre la entrada y el medidor ofrece dos ventajas: permite el uso de un instrumento robusto de bobina móvil, ya que su sensibilidad no necesita ser alta, y permite aumentar la resistencia de entrada, reduciendo así la corriente extraída del circuito bajo prueba. Los voltímetros amplificados suelen tener una resistencia de entrada de 1, 10 o 20 megaohmios, independientemente del rango seleccionado. Una versión popular de este instrumento utilizaba una válvula de vacío en el circuito amplificador, por lo que se denominaba voltímetro de válvula de vacío (VTVM). Estos se alimentaban casi siempre con la corriente alterna de la red eléctrica, por lo que no eran especialmente portátiles. Actualmente, estos circuitos utilizan un amplificador de estado sólido con transistores de efecto de campo (FET-VM) y se encuentran tanto en multímetros digitales portátiles como en instrumentos de sobremesa y laboratorio. Estos han sustituido en gran medida a los multímetros no amplificados, excepto en los rangos de precios más económicos.

La mayoría de los voltímetros de tubo de vacío (VTVM) y los voltímetros de transistores de efecto de campo (FET-VM) miden voltaje de CC, voltaje de CA y resistencia; los FET-VM modernos también incluyen mediciones de corriente y, a menudo, otras funciones. Una variante especializada del VTVM o FET-VM es el voltímetro de CA. Estos instrumentos están optimizados para medir voltaje de CA y ofrecen un ancho de banda mucho mayor y una mayor sensibilidad que un dispositivo multifunción convencional.

Un voltímetro digital (DVM) mide un voltaje de entrada desconocido convirtiéndolo a un valor digital y luego lo muestra en formato numérico. Los DVM suelen diseñarse en torno a un tipo especial de convertidor analógico-digital llamado convertidor integrador .

La precisión de la medición de un voltímetro digital (DVM) se ve afectada por muchos factores, como la temperatura, la impedancia de entrada y las variaciones de la tensión de alimentación. Los DVM más económicos suelen tener una resistencia de entrada del orden de 10 MΩ. Los DVM de precisión pueden tener resistencias de entrada de 1 GΩ o superiores para rangos de tensión bajos (por ejemplo, inferiores a 20 V). Para garantizar que la precisión de un DVM se encuentre dentro de las tolerancias especificadas por el fabricante, debe calibrarse periódicamente con un patrón de tensión, como la pila de Weston .

El primer voltímetro digital fue inventado y producido por Andrew Kay de Non-Linear Systems (y posteriormente fundador de Kaypro ) en 1954. ^{[ 1 ]}

Los voltímetros de CA simples utilizan un rectificador conectado a un circuito de medición de CC, que responde al valor promedio de la forma de onda. El medidor se puede calibrar para mostrar el valor cuadrático medio ( RMS) de la forma de onda, asumiendo una relación fija entre el valor promedio de la forma de onda rectificada y el valor RMS. Si la forma de onda se desvía significativamente de la onda sinusoidal asumida en la calibración, el medidor será inexacto, aunque para formas de onda simples la lectura se puede corregir multiplicando por un factor constante. Los primeros circuitos de "RMS verdadero" utilizaban un convertidor térmico que respondía únicamente al valor RMS de la forma de onda. Los instrumentos modernos calculan el valor RMS calculando electrónicamente el cuadrado del valor de entrada, tomando el promedio y luego calculando la raíz cuadrada del valor. Esto permite mediciones RMS precisas para una variedad de formas de onda. ^{[ 2 ]}

• Capítulo sobre circuitos de medición de CC del libro electrónico gratuito " Lecciones de circuitos eléctricos, vol. 1 de CC" y de la serie "Lecciones de circuitos eléctricos" .