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Laboratorio de instrumentación básica (página 2)

Enviado por lsandino



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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

TABLA 1

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

1° Color

Rojo

Amarillo

Amarillo

Amarillo

Verde

Café

Naranja

Café

Azul

2° Color

Negro

Violeta

Violeta

Violeta

Azul

Rojo

Naranja

Negro

Gris

3° Color

Amarillo

Amarillo

Naranja

Negro

Negro

Amarillo

Rojo

Café

Rojo

Valor cód.

200K

470K

47K

47

56

120K

3.3K

100

6.8K

tolerancia

5%

5%

5%

5%

10%

5%

5%

5%

10%

Vatiaje

¼

½

½

½

½

¼

½

¼

½

Valor medido

195.7K

473K

46.8K

48.1

55.5

119.5K

3.29K

99.4

6.7K

% error

0.215

-0.063

0.0425

-0.234

0.089

0.0416

0.0303

0.06

0.147

CIRCUITO A.

VT

R1

R2

R3

V1

V2

V3

I

Valor teórico

10 v

47W

56W

100W

2.37 v

2.73 v

4.89 v

49.26 mA

Valor medido

9.98 v

48.1W

55.5W

99.4W

2.37 v

2.74 v

4.87 v

49.3 mA

% error

-0.2

0.234

-0.089

-0.06

0

0.364

-0.41

-0.0081

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.

R4

R5

R6

R7

IR4

IR5

IR6

IR7

VR7

Valor teórico

47K

200K

120K

6.8K

0.172

mA

0.041

mA

0.067

mA

0.282

mA

1.89 V

Valor medido

46.8K

195.7K

119.5K

6.7K

0.17

mA

0.04

mA

0.06

mA

0.28

mA

1.9 V

% error

0.0425

0.215

0.0416

0.147

-1.16

-3.14

-4.47

-0.71

0.53

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

Partes: 1, 2


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