MEDICIONES ELÉCTRICAS

1.- EL TESTER Y EL MULTÍMETRO DIGITAL

OBJETIVOS: Que el estudiante aprenda a usar el tester y el

multímetro digital como instrumentos de medida.

Que el estudiante pueda establecer comparaciones entre el tester, el multímetro digital, en lo referente a sus ventajas y limitaciones.

.INTRODUCCIÓN:

En los laboratorios se utiliza el multímetro para medir principalmente voltajes, corrientes y resistencias. Existen dos tipos de multímetros: multímetros analógicos y multímetros digitales Fig 1

El multímetro analógico, que también se lo conoce como Tester o Multitester, (Fig.1) posee partes eléctricas y mecánicas; mientras que el Multímetro Digital (Fig. 2) es un instrumento completamente electrónico que está reemplazando al Tester por diversas razones: es más fácil de usar, su respuesta en tiempo es superior, no cambia la carga de la mayoría de los circuitos y son más baratos. Ambos aparatos suelen estar adaptados para otras funciones, como medir capacidades de condensadores, comprobar diodos y transistores, medir temperaturas a través de una termocupla, medir frecuencias, etc. Los multímetros deben configurarse y conectarse apropiadamente dependiendo de lo que se quiera medir con ellos. Por lo cual poseen, principalmente, un selector de funciones, varios bornes de entrada y un selector de escala. Es entonces importante conocer como usarlos correctamente. Veamos cual es la manera de medir voltajes, corrientes y resistencias. Fig. 2 OPERACIONES BÁSICAS DE MEDICIÓN

Medición de Voltajes

El multímetro se puede usar como voltímetro; esto es, para medir diferencias de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico (la unidad del voltaje es el Voltio (V)).

El voltímetro debe conectarse en paralelo en el circuito (Figuras 3 y 4), porquesu resistencia interna es muy grande, de tal manera que la corriente que pasa a través de él es muy pequeña, y su presencia no modifica significativamente el circuito.

Los multímetros pueden medir voltajes tanto en circuitos de corriente directa o continua, simbolizada como “DC” ó “-”, como de corriente alterna, simbolizada como “AC” ó “~”. Por ello, dependiendo del tipo de corriente, se debe elegir una de estas dos modalidades en el correspondiente selector de funciones, también se debe escoger la escala y colocar las puntas de medición en losbornes apropiados. Fig. 3 En el caso de corriente alterna, la cual cambia de valor y dirección periódicamente, el voltímetro nos indica el valor cuadrático medio del voltaje, comúnmente llamado Voltaje RMS. Este voltaje se define como:

Para ondas sinusoidales el Voltaje RMS viene dado por:

donde V0 es el voltaje máximo.

Mediciones de corrientes Fig. 4 El multímetro también se puede utilizar como amperímetro para medir la corriente en una rama de un circuito (la unidad de la corriente es el Amperio (A)). El amperímetro debe conectarse en serie en el circuito como lo muestran las Figuras 5 y 6. La resistencia interna del multímetro en esta modalidad, como la de todo amperímetro, es muy pequeña para que no modifique el circuito significativamente. Igual que el voltímetro, el amperímetro puede ser usado para medir corrientes en circuitos de corriente directa o de corriente alterna; igualmente, se debe seleccionar la opción deseada, escoger la escala y colocar las puntas de prueba apropiadamente.

Fig. 5 Fig. 6

Para el caso de corriente alterna, la corriente que mide el amperímetro es la RMS, la cual se define similarmente al voltaje RMS.

Mediciones de resistencias

Otra de las aplicaciones comunes del multímetro es usarlo como ohmmetro; es decir, para medir la resistencia de un elemento eléctrico. La unidad de resistencia es Ohm(). Para medir resistencia, debe conectarse como lo indican las Figuras 7 y 8. El ohmmetro nunca debe conectarse a un circuito con la fuente de energía activada y la resistencia que se quiere conocer debe ser aislada del circuito para medirla.

Fig. 7 Fig. 8

Resistencia interna del multímetro

La resistencia interna de los voltímetros y amperímetros es una cualidad importante que debe ser tomada en cuenta cuando se mide con estos aparatos. Los valores típicos de resistencia interna para el caso del voltímetro son los siguientes:

Tester: 20000 /V para corriente directa y 5000 /V para corriente alterna Este parámetro se conoce como sensibilidad del voltímetro, para obtener la resistencia interna se debe multiplicar la sensibilidad por el valor máximo de la escala (valor de fondo) que se está usando. Así, la resistencia interna del voltímetro depende de la escala.

Multímetro digital: el valor típico de la resistencia interna de los multímetros comerciales es de 10 M (M = Mega = 106)

Para medidas de corrientes los valores típicos se encuentran así:

Tester: El valor de la resistencia interna del galvanómetro (Rg ) del tester viene dado por el fabricante y es del orden de los 600 . Mientras que la potencia máxima que soporta el galvanómetro también viene dada, y es de 1 mW (m = mili = 10-3).

Por lo tanto la máxima corriente que soporta el galvanómetro del tester es:

Ig = ( = micro = 10-6)

La resistencia interna del amperímetro viene dada por ; con aquí Imáx es el

valor máximo de la escala (valor de fondo) que se está usando. Así, la resistencia interna del amperímetro también depende de la escala.

Multímetro digital: Cuando se mide corriente en los multímetros digitales se desarrolla un pequeño voltaje a través del aparato debido a su resistencia interna. Este voltaje aunque es bastante pequeño, en algunos casos puede afectar medidas de alta precisión.

ERRORES DE LOS MULTÍMETROS

Tester. En los instrumentos electromecánicos para mediciones eléctricas, el error de lectura está acompañado por los errores que resultan de las imperfecciones, inevitables, de diseño y construcción del aparato. Estos errores son compensados parcialmente por la calibración del instrumento. El error del tester viene indicado por el fabricante mediante el índice de clase IC del instrumento. La Comisión Internacional de Electrónica ha establecido los siguientes índices de clase:

IC = 0.05; 0.1; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 5.0 (en %)

El error porcentual de medición es:

e = donde LME = Lectura máxima de la escala

Así, por ejemplo, si tenemos un tester con IC = 0.1 cuya escala está graduada de 0 a 0.1 A (fondo de escala = 0.1 A) y se está midiendo una corriente de 0.05 A, entonces

e =

Observe que es conveniente escoger las escalas de los aparatos de medida de tal forma que la desviación de la aguja sea la mayor posible.

Multímetro Digital

La precisión del multímetro viene expresado como:

Error = % de la lectura + (número de dígitos menos significativos)Por ejemplo, en las especificaciones del multímetro digital GOLDSTAR modelo DM333, de 3 ¾ dígitos, la cual transcribimos a continuación, se lee:

FUNCION RANGO RESOLUCION PRECISIONVOLTAJE DC 300mV 0.1 mV (0.5% + 2dgt)

3.2 V 1 mV32 V 10 mV (1.2% + 4dgt)320 V 100 mV1000 V 1 V

Por lo tanto, si estamos en el rango de 3.2 V y medimos 2.134 V entonces el error vendrá dado por

Error = (0.5% de 2.134 + 0.002) V

V

Expresado, como acostumbramos, con una sola cifra significativa Error = 0.01 V

La medida será entonces escrita así: V = (2.13 0.01) V

El significado de 3 ¾ significa que el multímetro digital puede mostrar hasta 4 dígitos pero hasta un límite diferente a 9999. Para el DM 333 de GOLDSTAR el límite es de 1000.

2.-EL OSCILOSCOPIO, OPERACIONES DE MEDICIÓN BÁSICAS CON EL OSCILOSCOPIO.

OBJETIVOS:

Que el estudiante: Se familiarice con el osciloscopio y comprenda su funcionamiento. Aprenda a usar el osciloscopio como instrumento de medición. Conozca la utilidad del osciloscopio, sus ventajas y limitaciones.

INTRODUCCIÓN:

El osciloscopio es un instrumento de laboratorio ampliamente utilizado. Básicamente es un voltímetro, pero, con la capacidad de mostrar en su pantalla, la gráfica del voltaje aplicado en función del tiempo. En su eje vertical se representa el voltaje y en su eje horizontal, el tiempo.

Hay dos tipos de osciloscopio: los analógicos y los digitales. Los osciloscopios analógicos utilizan un tubo de rayos catódicos para desplegar la señal variable que se aplica a sus bornes. Los digitales, son computadoras que primero digitalizan la señal de entrada y luego la despliegan en su monitor. Ambos tipos de osciloscopios se manejan de forma similar.

El osciloscopio nos permite ver una amplia variedad de señales de diferentes duraciones y amplitudes de voltaje. Para que una de estas señales pueda ser mostradas en su pantalla, se tiene que escoger adecuadamente tanto la escala horizontal, como la vertical, y también, decidir cuando empezar a mostrar la señal. Por otra parte, los osciloscopios pueden mostrar hasta dos señales simultáneamente, debemos entonces, decidir por cual canal queremos ver cada una de ellas.

Para abreviar la explicación del uso del osciloscopio, mostraremos los controles básicos necesarios para manejarlo.

CONTROLES VERTICALES

Para controlar la escala de voltajes; vale decir, la escala vertical (Fig. 9), usamos la perilla VOLT/DIV (Fig. 11 (13 y 14)). Su escala graduada nos indica cuantos voltios representa cada división vertical en la pantalla. Al decir: “una división”, nos referimos a las divisiones verticales correspondientes a los cuadros grandes (alrededor de 1cm2) de la cuadrícula en la cual está dividida la pantalla: Estas divisiones, a su vez, están subdivididas en 5 intervalos, cada uno correspondiente a 1/5 del valor de la división grande. Mientras más grande sea la señal que queremos observar dentro de los límites de la pantalla, mayor debe ser el valor de VOLT/DIV que escojamos, en otras palabras; debemos disminuir la sensibilidad. Por el contrario; si la señal que queremos observar es pequeña, debemos disminuir el valor de VOLT/DIV, esto es; aumentar la sensibilidad. Como ya lo indicamos, la cuadrícula está típicamente subdividida en 5 partes, luego, la altura de cualquier señal, corresponderá a un número entero de divisiones más una fracción expresada en quintas partes de división, por ejemplo:

divisiones.

El valor en voltios de una señal, corresponde al valor de su altura medida en divisiones de la cuadrícula, multiplicado por lo que indique la escala de la perilla VOLT/DIV.

Si este control se encuentra en la posición correspondiente a 0.5 el valor del voltaje correspondiente al ejemplo anterior será:

Voltaje = voltios Para medir la altura de la señal es conveniente usar la perilla POSITION (Fig11 (17 y 18))la cual permite mover la señal hacia arriba y hacia abajo. Por otra parte, para no cometer errores sistemáticos en la medida del voltaje, debemos tomar en consideración lo siguiente: sobre la perilla VOLT/DIV existe otra más pequeña, que permite ajustes continuos del tamaño de la señal (Fig11 (15 y 16)). Para que las medidas

Fig. 9 Fig. 10

sean correctas, debemos darle vuelta, a esta pequeña perilla, en dirección de las agujas del reloj hasta el tope, el cual está indicado como: “cal ”.

También se puede aumentar la sensibilidad para medir voltajes, por medio del botón X5MAG (Fig11 (6 y 20)), si este botón está activado, la sensibilidad del eje vertical se hace 5 veces más grande. Esto quiere decir que si el botón X5MAG está presionado, la medida del voltaje realizada en esta modalidad, debe ser dividida por 5.

Muchas veces queremos referenciar la señal de entrada del osciloscopio respecto a un nivel cero; para ello podemos usar el control de acoplamiento AC/GND/DC (Fig11 (11 y 12)). Cuando lo colocamos en GND (Tierra), aparece en la pantalla una línea horizontal de referencia correspondiente a 0 V. Podemos subir o bajar convenientemente esta línea mediante el control POSITION.

Las señales eléctricas poseen típicamente dos componentes: una señal constante respecto de tierra (componente DC) superpuesta a una señal variable en el tiempo (componente AC). Cuando colocamos el control AC/GND/DC en la posición de

acoplamiento DC, el osciloscopio muestra la señal tal como está aplicada a su entrada. Cuando lo colocamos en acoplamiento AC, se inserta un condensador a la entrada para bloquear cualquier componente DC de la señal, y solo observamos la parte que depende del tiempo, la componente AC. Este acoplamiento es importante cuando queremos observar únicamente la parte AC de la señal, sobre todo cuando es muy pequeña comparada con la componente DC. Finalmente debemos mencionar que el osciloscopio tiene la posibilidad, mediante el control VMODE (Fig11 (19)), de mostrar la señal de uno cualquiera de los dos canales, o de ambos al mismo tiempo.

CH1: Se muestra únicamente la señal que entra por el canal 1 CH2: Se muestra únicamente la señal que entra por el canal 2 DUAL: Se muestran ambas señales ADD: Muestra la suma algebraica de las señales del canal 1 y del canal 2

Usando el botón CH2 INV se puede invertir la señal del segundo canal.

CONTROLES HORIZONTALES

Como el osciloscopio se usa para medir voltajes dependientes del tiempo, la escala del tiempo (escala horizontal) se puede ajustar adecuadamente (Fig. 10). Esto se hace por medio del control TIME/DIV (Fig11 (22)).

La escala del control TIME/DIV nos indica cuanto tiempo representa cada división horizontal en la pantalla. El eje horizontal está dividido de manera similar al vertical, o sea; cada división horizontal, está a su vez, subdividida en 5 intervalos más pequeños. De modo que para medir el tiempo que transcurre entre dos puntos de una curva en la pantalla, debemos medir la distancia horizontal entre esos puntos, en divisiones enteras, más una fracción expresada en quintas partes de división, y luego multiplicarla por lo que indique la escala del control TIME/DIV.

El tiempo entre dos puntos en el eje horizontal, corresponde al valor de la distancia entre ellos medida en divisiones de la cuadrícula, multiplicado por lo que indique la escala del control TIME/DIV.

Tenemos que ser cuidadosos, porque hay una serie de opciones que pueden desvirtuar la medida.

El botón CAL/VAR debe estar en CAL (Fig11 (23)), que significa calibrado. Si se pone en posición VAR nos permite ajustar continuamente el tiempo entre los pasos de la perilla TIME/DIV, mediante la perilla VARIABLE, lo cual es ventajoso para ciertas aplicaciones, pero desvirtúa la calibración.

El botón X1/X10 en la posición X10, muestra la señal 10 veces más amplia, en este caso, el valor real del tiempo es 1/10 del medido.

SINCRONIZACIÓN (TRIGGERING)

El control TRIGGER MODE (Fig11 (27)), permite ajustar la sincronización entre la señal observada y el barrido, o base de tiempo del osciloscopio. En la posición AUTO la sincronización es realizada automáticamente por el osciloscopio, por eso se recomienda mantener esta modalidad siempre que sea posible. En la posición NORM se producirá la sincronización ajustando apropiadamente, el disparo del barrido mediante el TRIG LEVEL (Fig11 (30))

Fig. 11