Laboratorio de instrumentación básica (página 2)

4. Clasificación de resistencias
variables

Los materiales
usados para la fabricación de estas resistencias
suelen ser los mismos que los utilizados para las resistencias
fijas, es decir, mezclas de
carbón y grafito, metales y
aleaciones
metálicas. La diferencia fundamental, a parte de las
aplicaciones, está en los aspectos constructivos. Tomando
este criterio podemos hacer la siguiente
clasificación:
DE CAPA: Carbón, metálica y cermet.
BOBINADAS: Pequeña disipación, potencia y
precisión.

Resistencias variables de
capa
Capa de carbón
Están constituidas por carbón coloidal (negro de
humo), mezclado en proporciones adecuadas con baquelita y
plastificantes. Bajo estas características podemos encontrarnos
con:

Potenciómetros de carbón:
– Valores de
resistencias entre 50 y 10M óhmios.
– Tolerancias del +/- 10% y +/- 20%.
– Potencias de hasta 2W.
– Formatos de desplazamiento giratorio y longitudinal, con
encapsulado simple,doble resistencia o con
interruptor incorporado.
Trimmers de carbón:
– Valores
usuales entre 100 y 2M óhmios.
– Potencia de
0,25W.
– Pequeñas dimensiones y bajo costo.

Capa Metálica
Las capas de estos tipos de resistencias están formadas a
base de mezclas de
óxidos de estaño y antimonio depositadas sobre un
soporte de vidrio
generalmente. El cursor, como en las de capa de carbón,
suele ser de aleaciones de
cobre y oro o
plata, tomando los terminales de salida en contactos metalizados
practicados sobre la capa, para ajustes desde el exterior, por lo
que integran el grupo de los
potenciómetros. Como características importantes:
– Bajas tolerancias: +/- 5%, +/- 2%, +/- 1%.
– Potencias desde 0,25W a 4W.
– Muy bajo ruido de
fondo.
– Buena linealidad:0,05%.
Capa Tipo Cermet

La capa está constituida por mezcla aglomerada de
materiales
vítreos y metales nobles,
depositada sobre un substrato de cerámica. Las principales aplicaciones son
para ajustes por lo que concluimos que pertenecen al grupo de los
trimmers.

Sus características principales:
– Valores desde 10 a 2M óhmios.
– Potencias entre 0,5 y 2W.
– Elevada precisión en modelos
multivuelta.
– Muy buena linealidad y resolución.

Resistencias variables
bobinadas
De pequeña disipación
La constitución de este tipo de resistencias
es muy parecida a la de las resistencias bobinadas fijas. Suelen
usar los mismos materiales, aleaciones Ni-Cu para pequeños
valores de resistencia, y
Ni-Cr para valores altos. Su principal aplicación es la
limitación de corriente en circuitos
serie, por lo que se pueden denominar reóstatos, aunque la
potencia que pueden aguantar no es muy elevada, por lo que
también los encontraremos en aplicaciones como
potenciómetros. Sus principales
características:
– Valores desde 50 hasta 50K óhmios.
– Tolerancias entre +/-10% y +/-5%.
– Potencia nominal entre 0,5 y 8W.
– Ruido de fondo
despreciable.

Bobinadas De Potencia
Se pueden comparar a los modelos
vitrificados de alta precisión de las resistencias fijas.
Este tipo de resistencias son las que realmente se denominan
reóstatos, capaces de disipar elevadas potencias aplicadas
como limitadores de corriente.

Entre sus características podemos destacar:
– Valores desde 1 a 2,5K óhmios para potencias de hasta
50W, hasta 5K óhmiospara 100W, y hasta 10K óhmios
para 250W.
– Tolerancias del +/-10%, y +/-5%.
– Potencias nominales entre 25W y 1KW.
– Máxima temperatura de
funcionamiento en torno a los
200ºC.

Bobinadas De Precisión
En este tipo se usan aleaciones metálicas de
pequeña resistividad (Au-Ag) en lugar de aumentar el
diámetro del hilo y así conseguir pequeños
valores con reducidas dimensiones. Por sus aplicaciones, a este
tipo se les suele denominar trimmers bobinados.

Sus características principales:
– Valores resistivos de 5 a 100K óhmios.
– Tolerancias del +/-5% y +/-1%.
– Disipación de potencia de 0,75 a 1,5W.
– Linealidad comprendida entre +/-1% y +/-0,15%.
– Resolución del orden de 0,001.
– Modelos multivuelta y simples.

Resistencias No Lineales
Estas resistencias se caracterizan porque su valor
óhmico, que varía de forma no lineal, es función de
distintas magnitudes físicas como puede ser la temperatura,
tensión, luz, campos
magnéticos, etc.. Así estas resistencias
están consideradas como sensores.
Entre las más comunes podemos destacar las siguientes:
– Termistores o resistencias NTC y PTC. En ellas la resistencia
es función
de la temperatura.
– Varistores o resistencias VDR. En ellas la resistencia es
función de la tensión.
– Fotoresistencias o resistencias LDR. En estas últimas la
resistencia es función de la luz.

Termistores
En estas resistencias, cuyo valor
óhmico cambia con la temperatura, además de las
características típicas en resistencias lineales
fijas como valor nominal, potencia nominal, tolerancia, etc.,
que son similares para los termistores, hemos de destacar
otras:
Resistencia nominal: es la resistencia que presenta a la
temperatura ambiente
(25°).
Autocalentamiento: este fenómeno produce cambios en el
valor de la resistencia al pasar una corriente
eléctrica a través de ella. Hemos de tener en
cuenta que también se puede producir por una
variación en la temperatura ambiente.
Factor de disipación térmica: es la potencia
necesaria para elevar su temperatura en 1ºC.
Dentro de los termistores podemos destacar dos grupos: NTC y
PTC.

Resistencias NTC
Esta resistencia se caracteriza por su disminución del
valor resistivo a medida que aumenta la temperatura, por tanto
presenta un coeficiente de temperatura negativo.
Entre sus características se pueden destacar: resistencia
nominal de 10 ohmios a 2M, potencias entre 1 microvatio y 35W,
coeficiente de temperatura de -1 a -10% por ºC; y entre sus
aplicaciones: regulación, compensación y medidas de
temperaturas, estabilización de tensión, alarmas,
etc.

Resistencias PTC
Estas, se diferencian de las anteriores por el coeficiente de
temperatura positivo, de forma que su resistencia
aumentará como consecuencia del aumento de la temperatura
(aunque esto sólo se da en un margen de
temperaturas).

Varistores
Estos dispositivos (también llamados VDR) experimentan una
disminución en su valor óhmico de resistencia a
medida que aumenta la tensión aplicada en sus extremos. A
diferencia de lo que ocurre con las NTC y PTC la variación
se produce de una forma instantánea.
Las aplicaciones más importantes de este componente se
encuentran en: protección contra sobretensiones,
regulación de tensión y supresión de
transitorios.

Fotoresistencias
Estas resistencias, también conocidas como LDR, se
caracteriza por su disminución de resistencia a medida que
aumenta la luz que incide sobre ellas.
Las principales aplicaciones de estos componentes están en
controles de iluminación, control de
circuitos con
relés, en alarmas, etc.

5. El galvanómetro de
d’arsonval y los multimetros

El galvanómetro es el principal componente
utilizado en la construcción de amperímetros y
voltímetros dada la característica esencial de un
tipo común, conocido como galvanómetro de
D’Arsonval el cual está compuesto por una bobina de
alambre montada de modo que pueda girar libremente sobre un
pivote en un campo
magnético proporcionado por un imán permanente.
La operación básica del galvanómetro
aprovecha el hecho de que un momento de torsión
actúa sobre una espira de corriente en presencia de un
campo
magnético.

El momento de torsión experimentado por la bobina
es proporcional a la corriente que circula por ella. Esto
significa que cuanto más grande es la corriente, tanto
mayor es el momento de torsión, así como el giro de
la bobina antes de que el resorte se tense lo suficiente para
detener la rotación. Por tanto, la cantidad de
inclinación o rotación de la bobina es proporcional
a la corriente. Después de que el instrumento se calibra
de manera apropiada, puede usarse junto con otros elementos de
circuito para medir ya sea corrientes o diferencias de potencial
(voltaje). Algunos instrumentos de laboratorio
que emplean los movimientos de D' Arsonval pueden medir
corrientes tan pequeñas como 1.0 X 10-13 A
En algunos medidores analógicos las escalas son no
lineales. Esto se debe por lo general a que el campo
magnético no es uniforme en toda la zona entre las piezas
polares del imán. Para que la indicación del
medidor sea exacta, la escala del
medidor debe desviarse de la linealidad para compensar esa falta
de uniformidad del medidor.
El mecanismo o movimiento que
patentó D' Arsonval se basa en este principio. Una bobina
de alambre se fija en un eje que gira en dos cojinetes de joya.
La bobina puede girar en un espacio entre un núcleo
cilíndrico de hierro suave y
dos piezas polares magnéticas. Las piezas polares crean el
campo magnético y el núcleo de hierro
restringe el campo al espacio de aire
(entrehierro) entre él y las piezas polares. Si se aplica
una corriente a la bobina suspendida, la fuerza
resultante hará que gire. A este giro se oponen dos
resortes pequeños que originan un par (fuerza
giratoria) que se opone al par magnético. Las fuerzas de
los resortes se calibran de modo que una corriente conocida
origine una rotación de ángulo
conocido.(También, los resortes sirven como conexiones
eléctricas para la bobina.) El puntero liviano muestra la
cantidad de rotación sobre una escala
calibrada.
La desviación de la aguja es directamente proporcional a
la corriente que fluye en la bobina, siempre que el campo
magnético sea uniforme y la tensión del resorte es
lineal. En ese caso, la escala del medidor también es
lineal. La exactitud de los movimientos de D' Arsonval que se
emplean en los medidores comunes de laboratorio es
de aproximadamente el 1% de la lectura de
la escala completa.

Construcción De Multimetros
La totalidad de los amperímetros, voltímetros y
ohmetros de tipo análogo son fabricados a partir de un
galvanómetro de D’Arsonval y un conjunto de
resistencias acompañadas algunas veces de una fuente de
poder. Si añadimos resistencias en serie obtenemos un
voltímetro, si las añadimos en paralelo obtenemos
un amperímetro y si a uno de los arreglos conectamos una
fuente fácilmente se obtiene un ohmetro.

Ampérimetro Analógico
Los amperímetros electromecánicos industriales y de
laboratorio se emplean para medir corrientes desde
1m A
(10-6 A) hasta varios cientos de amperes. El movimiento de
D' Arsonval ya que el paso de una corriente por la bobina genera
un movimiento de la aguja proporcional a tal corriente. Para
construir un amperímetro se emplea en la mayoría de
los casos una llave selectora para conectar diferentes
resistencia en paralelo con el galvanómetro llamadas
comúnmente shunts, permitiendo de esta manera hacer
lecturas de corrientes mas grandes que las que puede hacer el
galvanómetro solamente, que normalmente son
pequeñas. El cambio de
shunt de hacerse sin corriente, ya que sin estas
resistencias toda la corriente pasaría por el
galvanómetro causándole daños
graves.

Fig. Amperímetro de varios rangos
Los medidores típicos para banco de
laboratorio tienen exactitudes de aproximadamente 1 % del valor
de la escala completa debido a las inexactitudes del movimiento
del medidor. Además de este error, la resistencia de la
bobina del medidor introduce una desviación con respecto
al comportamiento
de un amperímetro ideal, este instrumento es ideal cuando
su resistencia interna es cero, es decir si actúa como un
corto entre los puntos del circuito donde se desea realizar la
medición.

Vóltimetros Analógicos
La mayor parte de los voltímetros emplean también
el movimiento de D' Arsonval. Este movimiento se puede considerar
en sí mismo un voltímetro, si se considera que la
corriente que pasa por él, multiplicada por su resistencia
interna origina una determinada caída de voltaje. En el
caso del voltímetro el instrumento es ideal si ofrece
resistencia infinita entre los puntos sobre los cuales se esta
realizando la medición del voltaje, es decir constituye
un circuito abierto entre sus puntas de prueba, pero esto es
difícil de lograr por lo que para aumentar el voltaje que
se puede medir mediante ese instrumento, se agrega una
resistencia más en serie a la resistencia propia del
medidor. La resistencia adicional (que se llama un multiplicador)
limita la corriente que pasa por el circuito del medidor.
Para construir un voltímetro de múltiple rango, se
puede emplear un interruptor que conecte resistencias de varias
magnitudes en serie con el movimiento del medidor. Para obtener
una deflexión hacia los valores
altos de la escala, los bornes se deben conectar con el
voltímetro con la misma polaridad que las marcas de las
terminales. Los voltímetros típicos de corriente
directa (CD) de
laboratorio tienen exactitudes de ± 1 % de la escala
completa.
La sensibilidad de un voltímetro se puede especificar por
el voltaje necesario para una deflexión de escala
completa. Pero otro criterio de sensibilidad, que se usa
ampliamente, es la capacidad de ohms por volts.

Fig. Voltímetro de varios rangos.

Ohmetro
Es un instrumento que mide la resistencia o simplemente
continuidad, de un circuito o parte del directamente en ohmios
sin necesidad de cálculos, su principio de funcionamiento
se basa en el método del
voltímetro para medir resistencias y se configura
habitualmente en circuitos tipo serie y/o derivación.
 

Ohmetro Tipo Serie
El ohmetro tipo serie consta de un galvanómetro o
movimiento D`Arsonal conectado en serie con una resistencia y una
batería, con un par de terminales a los cuales se conecta
la resistencia desconocida. La corriente que circula a
través del galvanómetro depende de la magnitud de
la resistencia desconocida y la indicación del medidor es
proporcional a su valor, siempre y cuando se hayan tomado en
cuenta una debida calibración

Fig. Ohmetro tipo Serie

Cuando la resistencia desconocida Rx = 0
(terminales A y B en cortocircuito), circula corriente
máxima en el circuito. En estas condiciones, la
resistencia de derivación R2 se ajusta hasta
que el galvanómetro indique la corriente a escala completa
(Ifsd). La posición de la aguja para la
corriente de escala completa se marca
"0  ". En forma similar, cuando Rx
=  (terminales A y B abiertas) la corriente
en el circuito es cero y el galvanómetro indica cero
corriente, esta posición se marca " " en la escala. Se colocan las marcas
intermedias en la escala conectando valores conocidos de
resistencia Rx en las terminales del instrumento. La
exactitud de estas marcas depende de la exactitud respectiva del
galvanómetro y de las tolerancias de las resistencias de
calibración.
Aun cuando el ohmetro tipo serie es un diseño
popular y se utiliza extensamente en los instrumentos
portátiles para servicio
general, tiene ciertas desventajas. Las más importantes se
relacionan con la disminución del voltaje de la
batería interna con el tiempo y el uso,
de forma que la corriente a escala completa disminuye y el
medidor no lee "0" cuando A y B están en cortocircuito. La
resistencia de derivación R2 provee un ajuste
para contrarrestar el efecto de la descarga de la batería.
Es posible ajustar la aguja a escala completa con R1
eliminando a R2, pero esto cambiaría la
calibración en toda la escala. El ajuste de R2
es una mejor solución, ya que la resistencia equivalente
del paralelo de R2 y la bobina Rm siempre
es baja
Comparada con R1, y por consiguiente el cambio
requerido en R2 para el ajuste no cambia mucho de
calibración.
Una cantidad conveniente al uso en el diseño
de un ohmetro tipo serie es el valor de Rx que origina
media deflexión en el medidor. A esta posición, la
resistencia a través de las terminales A y B se define
como la resistencia de media escala Rh. El circuito es
analizable a partir de la corriente a escala completa
Ifsd y la resistencia interna del galvanómetro
Rm, se reduce la corriente a 1/2 Ifsd, y la
resistencia desconocida debe ser igual a la resistencia interna
total del ohmetro.  

Ohmetro Tipo Derivacion
Este consiste de una batería enserie con una resistencia
de ajuste R1 y un galvanómetro D' Arsonal. La
resistencia desconocida se conecta a través de las
terminales A y B, en paralelo con el medidor. Para este circuito
es necesario tener un interruptor que desconecte la
batería cuando no se use el instrumento. Cuando la
resistencia desconocida Rx = 0  ( A y B están abiertas), las
corrientes circulará únicamente a través del
medidor; y con la apropiada selección
del valor de R1, se puede hacer que la aguja marque
escala completa. De esta forma, el ohmetro tiene la marca "cero"
en el lado izquierdo de la escala ( no circula corriente) y la
marca "infinito" en el lado derecho de la escala ( corriente de
deflexión a plena escala).
El ohmetro tipo derivación es adecuado para medir valores
bajos de resistencia; no se suele emplear en los instrumentos de
prueba, pero se encuentra en los laboratorios o para aplicaciones
especiales de medición de resistencia baja.
Valores teoricos, porcentajes de error y Verificacion de la
ley de
ohm

CIRCUITO A.

Valor medido de los resistores:
R1 = 48.1 W R2
= 55.5 W R3 =
99.4 W
Valor medido del voltaje de la fuente:
E = 10 V.
Calculo de la resistencia total del circuito:
Rt = R1 + R2 + R3 = 48.1 W + 55.5 W + 99.4 W = 203.0 W
Calculo de las caídas de voltaje sobre las
resistencias:
V1 = i . R1 = 49.26 mA. * 48.1 W = 2.37 V
V2 = i . R2 = 49.26 mA. * 55.5 W = 2.73 V
V2 = i . R3 = 49.26 mA. * 99.4 W = 4.89 V
Vt = V1 + V2 + V3 = 2.37 V + 2.74 V + 4.87 V = 9.98 V
Valores medidos de las caídas de voltaje sobre las
resistencias:
V1 = 2.37 V.
V2 = 2.74 V
V3 = 4.87 V
Valor medido de la corriente circulante:
i = 49.30 mA.

CIRCUITO B.

Conexiones De Los Medidores
Cuando R es muy grande es recomendable utilizar la
conexión de la figura (a) debido a que se ubica el
miliamperímetro de forma tal que mide la corriente antes
de que pueda ser afectada por del voltímetro, ya que este
posee una resistencia demasiado grande que puede afectar los
factores de medición.
En la conexión de la figura (b) lo más factible
sería conectar una resistencia pequeña debido a la
ubicación del voltímetro, es decir, si ponemos el
miliamperímetro después del voltímetro, como
este tiene una resistencia interna muy grande, la corriente no
intentará desviarse por el voltímetro sino que
viajará a través de la resistencia pequeña
ya que esta no presenta mayor oposición. Así la
corriente medida en la resistencia pequeña será
demasiado aproximada a la corriente real que circula en la
resistencia mencionada.

6.
Conclusiones

Todas las resistencias presentan un margen de error que
identificamos como tolerancia, el
cual representa también un margen de error en los
cálculos realizados a partir de ellas.
Cuando hay que realizar un cambio de escala en el
Multímetro cuando se esta midiendo corriente, este debe
hacerse con las puntas de prueba fuera del circuito en
cuestión por protección del tester.
Antes de energizar un circuito debe revisarse su correcto montaje
para evitar averías tanto en los equipos como en los
elementos del circuito.
Para calcular de manera efectiva el margen de error entre dos
lecturas de la misma magnitud, se debe tener en cuenta que las
cifras significativas juegan un papel muy
importante en cuando a la exactitud del margen de error.
El elemento mas versátil en la construcción de amperímetros,
voltímetros y ohmetros es el mecanismo de
D’Arsonval, ya que presenta alta sensibilidad a corrientes
pequeñas y solo basta un arreglo resistivo para hacer de
él uno de esto aparatos.
Para elegir los resistores que deben montarse sobre un circuito
debe tenerse muy en la cuenta la corriente que va a pasar por
ellos y así mismo determinar la potencia que deben
soportar para evitar averías en los mismos.

Autor:

Laura Sandino Perdomo

Samir Medina Perlaza