Multímetros analógicos - Escuela Técnica Raggio

Materia: Mediciones y ensayos de laboratorio. Profesor: Sangiovanni, Dante.

Multímetros analógicos

Introducción Se denomina multímetro o téster a un instrumento capaz de medir diversas magnitudes eléctricas con distintos alcances. Estas magnitudes son tensión, corriente y resistencia. Estas magnitudes pueden medirse con instrumentos que dan directamente el valor correspondiente, mediante una lectura clara y constante, mediante instrumentos que reciben el nombre de la magnitud a medir, como ser, amperímetro, voltímetro, vatímetro, etc. Dentro de los instrumentos nos encontramos con los analógicos, los cuales son de medición directa, basándose la lectura en la posición de una aguja sobre una escala adecuada y los digitales, en los cuales el instrumento por “si” lee el valor de la medición y la misma aparece en un display. En lo que sigue, describiremos el primer tipo de instrumentos. Dentro de los multímetros analógicos están los de bobina móvil y los de hierro móvil. Los más usados son los primeros.

Bobina móvil e Imán permanente Son instrumentos que deflexionan cuando se les aplica corriente continua únicamente o bien corriente alterna con el agregado de rectificadores. Este instrumento consta de un imán permanente, con dos expansiones polares, entre las cuales gira un bastidor formado por una base de aluminio, sobre el cual se monta un arrollamiento de alambre conductor muy de muy pequeña sección (o bien una bobina auto soportada). Dentro de bastidor se encuentra un cilindro de hierro dulce, fijado al instrumento, con lo cual se disminuye la reluctancia del circuito magnético. En la figura se encuentra un detalle del mismo.


El bastidor está guiado por dos semiejes de material conductor, cuyos extremos son cónicos y poseen una terminación fina, los cuales se montan sobre sendos pivotes, que le permite un movimiento giratorio. Sobre cada semieje encontramos dos resortes arrollados en sentido contrario, los cuales se hallan fijos en un extremo a la estructura del instrumento y por la otra al semieje correspondiente, con lo cual la posición del bastidor se mantiene en una cierta posición. El sistema está construido en forma tal, que la corriente a medir ingresa a través de uno de los resortes, pasa por el semieje correspondiente, circula por la bobina y sale por el otro semieje y su resorte. Sobre el eje de suspensión está montada una aguja indicadora ó índice que se desplaza sobre una escala adecuada, en la cual se efectúa la lectura correspondiente. Debido a la forma que presenta el imán en la zona que enfrenta a la bobina, el campo magnético que atraviesa la misma es radial, lo cual hace que el mismo tenga un valor constante en cualquier posición de dicha bobina (dentro del ángulo que gira la misma). Si se hace circular corriente por la bobina, en cada conductor de la misma se origina una fuerza, cuya magnitud está dada por la siguiente expresión:

F = N . B . I . L

Donde:

F: Fuerza [N] N: número de espiras que conforman la bobina B: inducción magnética producida por el imán permanente [T] I: Corriente que circula por la bobina [A] L: Longitud del conductor que se encuentra inmerso en el campo magnético [m]

Esta fuerza aparece en los conductores, cuya dirección es perpendicular al campo magnético, de forma tal que de un lado de la bobina tiene un sentido y en el otro lado tiene sentido contrario (Dichos sentidos se determinan por medio de alguna regla conocida). Dado que estas dos fuerzas tienen distinto sentido y además están en distintos planos de acción, se origina una cupla, cuyo valor está dado por:

Cm= F. d = N. I. B. L. d = K. I (d: ancho de la bobina)

De aquí observamos que la cupla es proporcional a la corriente que circula por la bobina, y origina un giro del sistema, el cual se detendrá cuando la cupla motora y la cupla antagónica originada por los resortes se igualen. La cupla resistente provocada por los resortes, es proporcional al ángulo de giro de los mismos y a una constante propia de los mismos, siendo su valor:

CR = KR . θ

En equilibrio: Cm = CR

K. I = KR . θ θ = K/KR . I = KA. I


Con lo cual se observa que el ángulo de giro del sistema es proporcional a la corriente que circula por la bobina. Este instrumento es apto para corriente continua, ya que de aplicar corriente alterna, el signo de la cupla estaría cambiando de sentido en función de la frecuencia de la corriente y el sistema quedaría en la posición de cero. La aguja indicadora se desplaza sobre una escala adecuada, cuya posición se efectúa en base a la corriente que circula, lo cual hace que este instrumento se lo pueda utilizar para medir corrientes o tensiones con los aditamentos necesarios para limitar la corriente al valor máximo que pueda soportar la bobina, con el agregado de resistencias en serie o en paralelo.

Instrumento utilizado como amperímetro El instrumento utilizado como amperímetro se debe conectar en serie con la carga cuyo valor de corriente queremos determinar, tal como se muestra en la figura.

Conexión de un instrumento utilizado como amperímetro Debido a la pequeña corriente que admite la bobina del instrumento, para poder usar este instrumento como amperímetro, debemos poder ampliar su alcance, lo cual se efectúa mediante el agregado de resistencia en paralelo (Shunt). En la figura observamos la forma de conexión.

Conexión de una resistencia en derivación Esta resistencia en paralelo deberá tener un valor, el cual surge del alcance que se desee obtener. la corriente que puede soportar el instrumento está indicada por IA, siendo RA la resistencia de la bobina. Si queremos utilizar el mismo instrumento para poder efectuar mediciones de corriente cuyo valor máximo será “I”, la resistencia shunt a colocar, surge del siguiente análisis: La diferencia de potencial entre los bornes A y B está dada por:


Este valor de la resistencia shunt, es menor que la resistencia de la propia bobina, para poder derivar por la misma la diferencia de corrientes. Con el agregado de la resistencia mencionada se puede realizar el tarado de la escala para este mayor rango de corriente.

Instrumento usado como voltímetro En este caso el instrumento se debe conectar en paralelo con la carga de acuerdo a lo indicado en la figura

Conexión de un instrumento utilizado como voltímetro Debido a que la corriente que circula por el instrumento depende de la resistencia de la bobina y de la tensión aplicada, para poder utilizar el instrumento como voltímetro deberemos agregar una resistencia en serie, de acuerdo a lo indicado en la figura

Partes componentes del multímetro o téster

- Cuadro de escalas. - Selector de funciones - Conjuntos de componentes necesarios para el funcionamiento. - Pilas y/o baterías. - Gabinete con los terminales de conexión. - Cables con las correspondientes puntas para su conexión.

El cuadro esta normalmente construido por el sistema de bobina móvil y su funcionamiento fue explicado anteriormente. El selector de funciones está construido mediante una llave selectora que permite seleccionar la magnitud y escala más apropiada de la magnitud eléctrica que se va a medir. Para poder realizar las mediciones en las diferentes escalas el instrumento precisa de un circuito de


resistencias y shunts que proporcionen las condiciones necesarias para cada tipo de medición. Para poder medir resistencias, se requiere circular una intensidad de corriente eléctrica, que es la encargada de desplazar la aguja del cuadro. Esta ha de ser suministrada desde el propio circuito del multímetro por medio de unas pilas y/o baterías instaladas en el interior del gabinete.

Medición de resistencias Teniendo en cuenta que es sistema de funcionamiento de un amperímetro y de un voltímetro ya es conocido, es importante destacar la medición de resistencia que permite realizar el multímetro, que comprende todo lo relacionado con la comprobación de las resistencias, de la continuidad eléctrica en los circuitos y medición de semiconductores.

Escala de medida Para esta forma de trabajo el multímetro dispone de varias posiciones en su llave selectora, con el objeto de poder cubrir todo el rango de valores de resistencias que están en el mercado, con la exactitud requerida y presentándolo en una escala única. Si solo se dispusiera de una posición para realizar las medidas de las resistencias que pueden presentar valores comprendidos entre los 0Ω y 50MΩ o más, sería imposible en la práctica leer sobre la escala, ya que debería tener por lo menos un millón de divisiones. En la práctica se ha realizado, que el óhmetro tenga en la llave selectora, alcances multiplicadores: R X 1: Para medir unidades y decenas. R X 10: Para medir decenas y centenas. R X 100: Para medir miles y decenas de miles. R X 10K: Para medir decenas de miles y centenas de miles.

Puesta a cero Para evitar el inconveniente de la caída de tensión de la pila y/o batería, a lo largo del tiempo, debido a la descarga. El multímetro incorpora una resistencia variable con mando exterior, con el que se debe regular las condiciones previas de la medición, siguiendo el procedimiento denominado de “puesta a cero”. Este consiste en que una vez seleccionada la posición más adecuada de la llave selectora, se ponen en cortocircuito las puntas del tester. Con lo cual la aguja del cuadro se desplaza desde su posición de reposo hasta una zona próxima al punto de la escala que marque cero. A continuación se regula el comando “0ΩADJ” hasta lograr que la aguja indique cero en la escala. A partir de este momento el multímetro se encuentra preparado para realizar la medición. Se debe tener en cuenta que, si es necesario cambiar la posición de la llave selectora, es necesario repetir toda la operación de puesta a cero.

La mayor exactitud se obtiene entre las lecturas

comprendidas entre el 0 y el 100 de la escala.


Realización de la medición Una vez ajustado el tester se puede proceder a la medición deseada. En el caso que el componente que se desee comprobar se encuentre montado sobre un circuito impreso, hay que tomar la precaución de desconectar cualquier alimentación de tensión que exista sobre el mismo, ya que provocaría la avería del instrumento. Se debe tener en cuenta que cualquier otro componente o conjunto de ellos que este unido eléctricamente al que se quiere comprobar también alterará la medición.

Medición de tensión El multímetro dispone varios alcances en la llave selectora que permiten efectuar la medición de caída de tensión de corriente continua y de corriente alterna. En el cuadro existen varias escalas asociadas cada una a un alcance de la llave selectora, de modo que el valor indicado en esta última es el máximo admisible. Entre ellas se debe seleccionar la más adecuada. La forma de operación más adecuada, consiste en determinar previamente si la tensión que se desea medir es continua o alterna, llevando el selector a la zona que corresponda y a continuación situarla en la posición que contenga, dentro de su escala, el valor que esperamos obtener en la medición. Se lee sobre la escala el valor que señala la aguja, teniendo la precaución, cuando se realizan medidas de tensión continua, de situar las puntas de forma que la polaridad de las entradas del tester se correspondan con la de la tensión a medir. Por lo tanto, la punta roja conectada a la entrada (+) debe ser aplicado al punto más positivo y el negro, que debe estar conectado a la entrada (-), se aplicará el más negativo. En caso que no se conozca previamente, ni siquiera con una cierta aproximación, el valor de la tensión a medir, o bien no sepa la polaridad si se trata de una tensión continua, debe comenzarse a medir en el rango más alto. Si la aguja se desplaza ligeramente hacia la izquierda será debido a que la polaridad es incorrecta, debiéndose cambiar entre si las puntas de medición. A continuación se debe buscar la escala más apropiada girando la llave selectora hasta la posición que permita el máximo desplazamiento de la aguja en el cuadro, sin que alcance el fondo de escala.


Medición sobre circuito Es indudable que, por solo el hecho de conectar el instrumento a un circuito, para realizar una medición, el mismo se verá afectado y debe tenerse en cuenta que el procedimiento de medición influya lo menos posible en el parámetro a medir.

Supongamos que se desea medir la tensión en el punto “P”, respecto de masa. Matemáticamente se puede saber el valor de tensión de la siguiente manera:

𝑉𝑃 = 𝑉𝐶𝐶

𝑅2

𝑅1 + 𝑅2

= 10𝑉 85𝑥103Ω

85𝑥103Ω + 15𝑥103Ω= 1.5 𝑉

Supongamos tener un tester con una sensibilidad de 1KΩ/V, y la escala más adecuada para medir es la de 3V, el circuito real se habrá modificado, tal como lo indica la figura B. De la que se puede deducir que la tensión sobre el punto “P” será:


𝑅2 . 𝑅𝑃1𝑅2 + 𝑅𝑃1

𝑅1 + (𝑅2 . 𝑅𝑃1𝑅2 + 𝑅𝑃1)

= 10𝑉

15𝑥103Ω . 3𝑥103Ω15𝑥103Ω + 3𝑥103Ω

85𝑥103Ω + (15𝑥103Ω . 3𝑥103Ω15𝑥103Ω + 3𝑥103Ω

)

= 10𝑉 2.5𝑥103Ω

85𝑥103 Ω + 2.5𝑥103Ω= 0.285 𝑉

Este valor está muy alejado del valor real. Si realizamos la medición con otro tester que tiene una sensibilidad de 20KΩ/V, y la escala más adecuada para medir es de 3V, el circuito se modifico como lo indica la figura C. La tensión sobre el punto P será:


𝑅2 . 𝑅𝑃2𝑅2 + 𝑅𝑃2

𝑅1 + (𝑅2 . 𝑅𝑃2𝑅2 + 𝑅𝑃2

)= 10𝑉

15𝑥103Ω . 60𝑥103Ω15𝑥103Ω + 60𝑥103Ω

85𝑥103Ω + (15𝑥103Ω . 60𝑥103Ω15𝑥103Ω + 60𝑥103Ω

)

= 10𝑉 12𝑥103Ω

85𝑥103 Ω + 12𝑥103Ω= 1.24 𝑉

Este valor de tensión es más próxima a la realidad, aunque el error es grande, pero mucho menor que el del caso anterior.


Medición de intensidad de corriente El otro importante conjunto de medición que resta, corresponde a las intensidades de corriente, tanto en continua como en alterna. Aunque esta última posibilidad solo la traen los téster de mayor calidad. Al igual que para el resto de las mediciones, se dispone de una serie de posiciones en la llave selectora correspondiendo cada una a una escala diferente. En muchos casos estas escalas del cuadro suelen coincidir con las que se utilizan para medir tensión. El valor indicado (rango) en la llave selectora, será el máximo valor de intensidad a medir que permite el instrumento con la aguja desplazada a fondo de escala. Este tipo de medición resulta algo más compleja que las anteriores, pues se necesita hacer circular por el tester la corriente que se desea medir. Esto implica, que en muchas ocasiones, y sobre todo cuando se emplea el tester sobre circuitos, sea necesario desconectar o desoldar algún componente. La forma de utilización es básicamente la misma que se describió para medir tensión, en lo referente a la selección de la escala más apropiada para la medida, así como las precauciones a tomar para evitar sobreintensidades que puedan causar daños. Una vez situado en la escala más apropiada, se deben poner las puntas de medida en contacto con los dos puntos del circuito (que han debido separarlos previamente), entre los que circula corriente, con lo que circulara en su totalidad a través del instrumento y en la escala podrá leer el valor correspondiente a la medición. Tenga en cuenta que la punta roja conectada al terminal (+), se tendrá que conectar al punto más positivo y la punta negra conectada al terminal (-), al punto más negativo de los dos. En caso contrario, la aguja se desplazará en sentido opuesto, debiendo cambiar entre si las puntas inmediatamente para evitar daños.

Errores en las mediciones Instrumental: Este error se debe al trazado de la escala cuando se efectúa la misma por comparación con un instrumento patrón. A este error debemos agregarle el error de lectura del instrumento patrón, lo cual lleva a lo que se llama error de trazado. Otro error que comete el instrumento es debido a los rozamientos que tiene el sistema de suspensión, lo cual hace que para la misma corriente la aguja indicadora no ocupe la misma posición.

Errores debidos al observador: Nacen del hecho de que cada observador tiene una forma particular de efectuar las lecturas, como interpolar en la mitad, tercera ó cuarta parte de una división, leer en exceso o en defecto, tomar valores pares o impares.

Errores debido a las condiciones donde se efectúa la medición: Son los que se provocan por condiciones de temperatura, humedad, presión atmosférica, presencia de campos magnéticos o eléctricos, etc.


Errores accidentales: Son errores casuales, fortuitos, inevitables producidos por la imperfección de nuestros sentidos y las perturbaciones del medio ambiente. No obedecen a una ley por lo tanto no se reproducen en forma igual en situaciones iguales. Los mismos son producidos por:

Paralaje: Son motivados por la falta de perpendicularidad entre el ojo del observador y la escala del instrumento, tal como se muestra en la figura

Para disminuir este tipo de error los instrumentos cuentan con un espejo, sobre la escala a los efectos de que el observador no vea el reflejo de la aguja, según se indica en la figura

Poder separador del ojo: El ojo humano no puede diferenciar dos puntos situados a una distancia tal que el ángulo sustentado por los mismos no supere un cierto valor que aproximadamente es de 2 minutos. El ojo para una distancia aproximada de 30 cm detecta una separación mínima de 0,1 mm.

Apreciación: Nace de la necesidad de interpolar la lectura cuando la aguja indicadora se detiene entre dos divisiones. Estos errores que no se pueden acotar, se tienen en cuenta como si su valor fuera de 0,2 a 0,25 de la menor división de la escala del instrumento.

Ajuste del indicador a cero: Los instrumentos analógicos poseen un tornillo que permite ajustar el “0” del lado izquierdo de la escala, que es donde comienzan las escalas de tensión e intensidad. Para este ajuste hay una cabeza de tornillo plástico que se gira lentamente con un destornillador para que la aguja llegue a cero y en sentido contrario del cual se requiere mover la aguja.


Características del téster analógico a utilizar: Especificaciones de tensión DC

Rangos: 0.1 – 0.5 -2.5 -10 -50 - 250 - 1000V

Sensibilidad: 20 KΩ/V

Exactitud a fondo de escala (FSD): 3 (1000V:5)

Especificaciones de intensidad de corriente DC

Rangos: 50µA (posición 0.1VDC) - 2.5mA -25mA – 0.25A

Exactitud a fondo de escala (FSD): 3 (10A:5)

Magnitud Posición

Rango Escala Multiplicar

Tensión DC

DC 0.1V

0.5V

10V

50V

250V

1000V

B

B

B

B

B

B

10

50

10

50

250

10

X 0.01

X 0.01

X 1

X 1

X 1

X 100

Tensión AC

AC 10V

50V

250V

1000V

C

B

B

B

10

50

250

10

X 1

X 1

X 1

X 100

Intensidad DC

DC 50µA

2.5mA

25 mA

0.25ª

B

B

B

B

50

250

250

10

X 1

X 0.01

X 0.1

X0.001

Resistencia

X1

X10

X100

X1K

X10K

A

A

A

A

A

X 1

X 10

X 100

X 1000

X 10000

Decibel AC 10V

50V

250V

G

G

G

X 1

X 1 +14 dB

X1 + 28 dB

ICEO

X1

X10

E

E

X 1

(TR grandes)

X 1

(TR chicos)

hFE X10 D X 1

Diodo

X1K

X10

X1

E

F

E

F

E

F

µA X 10

X 1

mA X 1

X 1

mA X 10

X10

Especificaciones de tensión AC

Rangos: 10 -50 - 250 - 1000V

Sensibilidad: 9 KΩ/V

Exactitud a fondo de escala (FSD): 4 (1000V:5)

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