Voltímetro de Alta Impedancia

VOLTIMETRO DE ALTA IMPEDANCIA

1.- Objetivo .-

El objetivo de este proyecto es realizar un voltímetro DC de alta impedancia utilizando el Opam 741.

2.- Introducción.-

Existen diferentes tipos de voltímetros , analógicos , digitales , vectoriales , etc . Todos estos tienen un fin común que es medir la diferencia de potencial entre 2 puntos de un circuito. Se pueden construir todos estos tipos utilizando varias formas y modelos diversos.

3 .-Proceso.-

Para la realización de este proyecto , hemos hecho uso de un LM741 un galvanómetro y resistencias.

El dispositivo usado para la elaboración del voltímetro es un medidor de corriente Dársonval, el cual consiste principalmente en una bobina móvil giratoria dentro de un campo magnético, a la cual se conecta una aguja que muestra la deflexión en proporción de una corriente aplicadaAntes de iniciar el diseño es muy importante conocer las características del dispositivo señalador, tales como la resistencia, la corriente y/o tensión de máxima escala.

La corriente de máxima escala :

determina la corriente necesaria para quela aguja marque su máximo.

La resistencia del galvanómetro

Nos indica la resistencia de la bobina dentro del galvanómetro

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 siguiente figura

Voltímetro de Alta Impedancia

Galvanómetro

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 0 a 50KΩ (cuya misión es limitar la corriente que circulara por el galvanómetro), se debe colocar primero el valor máximo de RL, esto es 50KΩ 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 0 a 2KΩ, 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 2KΩ, 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

Voltímetro de Alta Impedancia

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 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

Realizando los pasos ya mencionados obtenemos que :

y

Diseño del circuito en Multisim

Im = Voltaje /(RL + Rm )

Im = 45.45uA

Rm = 2kΩ

Voltímetro de Alta Impedancia

Para diseñar la parte de las escalas tuvimos en cuenta dos rasgos :El voltaje que deseamos obtener y las escalas que queremos que tenga nuestro voltímetro.

Teniendo en cuenta estas 2 características procedemos a calcular las resistencias que nos dará esta relación.

Para la escala de 0 - 10 v

Esta escala no merece mayor cálculo ya que como se ve en la figura está conectada directamente a la entrada no inversora .

Para la escala de 0 -50v

En esta escala necesitamos obtener una relación entre los voltajes esta tiene que ser de 5 a 1 resolviendo :

Nos damos cuenta que con las resistencias cumple la relación

V' = Vx250 kΩ250kΩ+1MΩ =

v5

Voltímetro de Alta Impedancia

Para la escala de 0 -250v

En esta la relación debe ser de 25 a 1 procedemos igual a la anterior escala

Lo que se trata de hacer en el circuito es conseguir un voltaje en la entrada no inversora ya que esta se reflejara en la inversora , este voltaje lo haremos fijo que sea como máximo 10v para diferentes escalas para eso hemos hecho uso del divisor de voltaje que esta acondicionado para estas escalas : 10v ,50v y 250v .

Queremos que la entrada inversora reciba como máximo 10 v para eso hemos conectado una resistencia de 220k , en el caso que sean 10v la corriente que se producirá por el galvanómetro será :

que es la escala máxima . Entonces nos marcará un valor exacto , analizaremos para otro caso :

Que en la entrada entren 5.54v

Otro caso sería si queremos medir un voltaje de 40v:

En este caso el divisor de voltaje hará su trabajo que es darle a la entrada no inversora un voltaje de entre 0 -10v

Una vez tenido un voltaje en ese rango en la entrada no inversora se repite los pasos anteriores

I = 10v220k

=45.45uA

I = 5.54v220k

=25.18uA

Vi = 40 X 250K1250K

= 8v

I = 8v220k

=36.36uA

V' = Vx50k Ω200k Ω+50k Ω+1MΩ =

Voltímetro de Alta Impedancia

Esto nos mostrará una flexión de la aguja del galvanómetro marcándonos el voltaje respectivo.

4.- CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

En este proyecto notamos que se puede acondicionar al opam de diferentes formas para realizar un voltímetro de alta impedancia.

También se puede implementar el diseño para poder medir voltajes en alterna para esto se necesita un puente de diodos y realizar algunos cambios en la resistencia para que concuerde con el valor eficaz , valor pico a pico que se desearía medir.

Es de bastante importancia conocer bien los parámetros del galvanómetro a usar ya que éste nos definirá los valores a implementar.

Uno de los mayores problemas al realizar este proyecto estuvo en la relación de resistencias para que los valores fueran exactos.

Otra complicación ocurrió en el momento de la implementación ya que para voltajes altos ( 15-250v) el opam no recibía el voltaje requerido y por ende el galvanómetro no marcaba un valor exacto.

5 BIBLIOGRAFÍA

Amplificadores operacionales y circuitos lineal - COUGHLING Electrónica : Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos - BOYLESTAD