Instrumentos de medición analógicos
Cómo se convierte una corriente en el movimiento de una aguja, y cómo con ese único mecanismo se construyen un amperímetro, un voltímetro y un óhmetro. Entender el instrumento por dentro es lo que permite saber cuándo miente.
01Por qué estudiarlos si hoy todo es digital
Los multímetros digitales son más exactos, más baratos y no se rompen si se los conecta al revés. Y sin embargo el instrumento analógico sigue en los programas y en los talleres, por cuatro razones concretas:
- La aguja muestra tendencias. Para ajustar un preset al máximo o al mínimo, o para ver si una tensión está oscilando, la aguja es superior a un número que salta.
- El tablero de un equipo industrial sigue siendo analógico: amperímetros y voltímetros de hierro móvil en tableros eléctricos, vúmetros, indicadores de proceso.
- El concepto de sensibilidad y carga del instrumento se entiende de verdad recién cuando se ve por qué un instrumento analógico altera el circuito.
- Es la base de todo transductor de aguja: el mecanismo de bobina móvil es el mismo que hay en un parlante y en el motor de un disco rígido.
02El galvanómetro de bobina móvil
También llamado mecanismo D'Arsonval. Es el corazón de todo instrumento analógico de corriente continua.
El funcionamiento tiene tres partes:
- Par motor. La corriente que circula por la bobina, inmersa en el campo del imán, produce una fuerza (ley de Laplace, F = B·I·L) que tiende a hacerla girar. Ese par es proporcional a la corriente.
- Par antagónico. Dos resortes espirales se oponen al giro con un par proporcional al ángulo. La aguja se detiene donde ambos se igualan, es decir en un ángulo proporcional a I. Por eso la escala es lineal. Los resortes cumplen además una segunda función: llevar la corriente hasta la bobina.
- Amortiguación. Sin ella la aguja oscilaría alrededor del valor final. Se consigue con el propio marco de aluminio de la bobina: al moverse dentro del campo se inducen en él corrientes de Foucault que frenan el movimiento. El ajuste ideal es el amortiguamiento crítico: llega rápido y sin rebotes.
Dos datos, y con ellos se calcula todo lo demás:
- Ifsd (full scale deflection): corriente que hace llegar la aguja al fondo de escala. Valores típicos: 50 µA, 100 µA, 1 mA.
- Rm: resistencia del bobinado. Típicamente 1 kΩ a 2 kΩ en los de 50 µA.
Sensibilidad
La sensibilidad es el dato más importante de un instrumento analógico. La resistencia que presenta un voltímetro en una escala dada es S × (fondo de escala): un instrumento de 20.000 Ω/V en la escala de 10 V presenta 200 kΩ, y en la de 2,5 V sólo 50 kΩ. Es decir que la carga que introduce cambia con la escala elegida, algo que no ocurre en un multímetro digital (10 MΩ siempre).
Clase de precisión
Los instrumentos analógicos se clasifican por su clase: 0,5 · 1 · 1,5 · 2,5. El número es el error máximo expresado como porcentaje del fondo de escala, no de la lectura.
Un instrumento clase 1,5 con fondo de escala de 100 V tiene un error de ± 1,5 V en cualquier punto de la escala. Si se mide 10 V, el error relativo es del 15 %. Por eso siempre hay que elegir la escala en la que la aguja quede pasada la mitad: medir 10 V en la escala de 100 V es casi inútil.
03De galvanómetro a amperímetro: el shunt
Un galvanómetro de 50 µA se quema con cualquier corriente real. Para medir amperes se le pone en paralelo una resistencia muy chica, el shunt, que desvía casi toda la corriente.
Galvanómetro de Im = 50 µA y Rm = 2 kΩ. Se quiere un amperímetro de 1 A a fondo de escala.
- Tensión sobre el galvanómetro a fondo de escala: 50 µA × 2000 Ω = 0,1 V.
- Corriente que debe desviar el shunt: 1 A − 0,00005 A = 0,99995 A.
- Rsh = 0,1 / 0,99995 = 0,1 Ω.
Notar dos cosas: el shunt es de un valor bajísimo (se fabrica con un trozo de alambre calibrado o con manganina) y la caída total del amperímetro es de sólo 0,1 V, que es lo que hace que casi no perturbe al circuito. Ese valor se llama burden voltage y figura en las hojas de datos de los multímetros.
En un amperímetro de varias escalas, el shunt nunca debe abrirse con el instrumento conectado: toda la corriente pasaría por la bobina y la quemaría al instante. Por eso los instrumentos multirrango usan el shunt de Ayrton, en el que la llave selectora reparte una cadena de resistencias sin dejar nunca al galvanómetro solo.
04De galvanómetro a voltímetro: la multiplicadora
Para medir tensión se pone una resistencia grande en serie con el galvanómetro, de modo que la tensión buscada produzca exactamente Ifsd.
Mismo galvanómetro (50 µA, 2 kΩ, S = 20.000 Ω/V):
| Escala | R total = S × V | Rs = R total − Rm |
|---|---|---|
| 10 V | 200 kΩ | 198 kΩ |
| 50 V | 1 MΩ | 998 kΩ |
| 250 V | 5 MΩ | 4,998 MΩ |
Con un galvanómetro de 1 mA (S = 1000 Ω/V), la escala de 10 V presentaría apenas 10 kΩ. Medir con ese instrumento la base de un transistor polarizado con resistencias de 47 kΩ arruinaría por completo la medición.
05El óhmetro
Es el único de los tres que necesita una fuente propia: una pila interna. Mide indirectamente, inyectando corriente y observando la desviación.
- Con las puntas en corto: I es máxima, la aguja va al fondo → 0 Ω a la derecha.
- Con las puntas al aire: I = 0, la aguja no se mueve → ∞ a la izquierda.
- El punto medio de la escala corresponde a Rx = Rint, y es donde la lectura es más exacta. Por eso conviene elegir la escala (× 1, × 10, × 100, × 1 k) que deje la aguja cerca del centro.
Antes de cada medición, y cada vez que se cambia de escala, hay que juntar las puntas y girar el preset de «ajuste de cero» hasta que la aguja marque exactamente 0 Ω. Esto compensa el desgaste de la pila. Si con la pila nueva no llega a cero, el instrumento tiene una falla; si la aguja no se mueve nunca, la pila está agotada.
06Hierro móvil y electrodinámico
La bobina móvil sólo sirve para corriente continua: con alterna, el par cambia de sentido 50 veces por segundo y la aguja no se mueve (o vibra). Para medir alterna directamente hacen falta otros mecanismos.
| Mecanismo | Principio | Sirve para | Escala | Uso típico |
|---|---|---|---|---|
| Bobina móvil | Bobina en el campo de un imán permanente | CC | Lineal | Multímetros analógicos, vúmetros |
| Hierro móvil | Dos piezas de hierro dentro de una bobina fija se repelen, magnetizadas con el mismo signo | CC y CA | Cuadrática (apretada al principio) | Tableros eléctricos. Mide valor eficaz verdadero |
| Electrodinámico | Una bobina fija y una móvil; el par depende del producto de las dos corrientes | CC y CA | Cuadrática o lineal según uso | Vatímetro: mide potencia real, incluido el factor de potencia |
| Térmico | Un hilo se dilata al calentarse por efecto Joule | CC y CA | Cuadrática | Radiofrecuencia, valor eficaz a cualquier frecuencia |
Porque las dos piezas de hierro se magnetizan siempre con la misma polaridad, sin importar el sentido de la corriente: siempre se repelen. El par resulta proporcional a I2, y como el promedio de I2 es lo que define el valor eficaz, el instrumento indica directamente el valor eficaz verdadero, aunque la onda esté deformada. Eso es lo que un multímetro digital barato no hace: los que no dicen «True RMS» suponen que la onda es senoidal y calculan el eficaz a partir del valor medio.
Cómo mide alterna un instrumento de bobina móvil
Con un rectificador adelante. Pero entonces lo que la aguja responde es al valor medio de la onda rectificada, no al eficaz. Como la escala se calibra en eficaces para una senoidal, se aplica el factor de forma:
07Analógico frente a digital
- Muestra tendencias: ideal para ajustar un máximo o un mínimo.
- No necesita pila para medir tensión y corriente.
- Sensibilidad limitada: carga el circuito, y de forma distinta en cada escala.
- Error referido al fondo de escala: malo en el primer tercio.
- Se daña con inversión de polaridad o sobrecarga.
- Hay que leer interpolando entre marcas, con riesgo de error de paralaje.
- Impedancia de entrada alta y constante (10 MΩ).
- Error referido a la lectura: bueno en todo el rango.
- Lectura sin ambigüedad, con polaridad automática.
- Muchas funciones extra: capacidad, frecuencia, prueba de diodos, hFE, temperatura.
- Los dígitos «bailan» si la señal tiene ruido: cuesta ver tendencias.
- Necesita pila para todo.
En el taller lo razonable es tener los dos, y saber cuál usar: el digital para valores, el analógico para ajustes.
08En el laboratorio
Con una pila de 1,5 V, un preset de 100 kΩ en serie (empezando al máximo) y un microamperímetro patrón: bajar el preset hasta llegar al fondo de escala y anotar la corriente. Para Rm, poner una década resistiva en paralelo con el galvanómetro y ajustarla hasta que la aguja caiga a la mitad de la escala: en ese punto la década vale exactamente Rm.
Con el galvanómetro caracterizado, calcular la resistencia multiplicadora para una escala de 10 V y armarla con resistencias en serie (combinando valores E12 hasta acercarse). Contrastar el instrumento contra un multímetro digital en varios puntos: 2, 5, 8 y 10 V. Calcular el error relativo en cada punto y comprobar que crece hacia el principio de la escala.
Armar un divisor con dos resistencias de 470 kΩ alimentado a 10 V (tensión teórica en el medio: 5 V). Medir con el instrumento analógico construido y con el multímetro digital. La diferencia entre las dos lecturas es el efecto de carga, y se puede calcular de antemano. Repetir con resistencias de 4,7 kΩ: ahora las dos lecturas coinciden.
(a) Verificar el ajuste de cero del óhmetro en cada escala y medir cinco resistencias conocidas,
anotando en qué parte de la escala cae la aguja y el error resultante.
(b) Si hay generador de funciones: medir con un multímetro analógico (o digital sin True RMS) una
onda senoidal y una cuadrada de la misma amplitud. La senoidal se lee bien; la cuadrada
da un error de alrededor del 11 %, que es exactamente el factor de forma.
09Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| La aguja se va contra el tope izquierdo | Polaridad invertida. Se dobla la aguja: hay que desconectar de inmediato. |
| La aguja se va contra el tope derecho | Escala demasiado baja. Siempre empezar por la más alta. |
| La lectura cambia según quién la lee | Error de paralaje. Los instrumentos buenos traen un espejo en la escala: se lee cuando la aguja tapa su propio reflejo. |
| Al medir tensión, el circuito deja de funcionar | Efecto de carga: el instrumento tiene poca sensibilidad para ese circuito de alta impedancia. |
| El óhmetro no llega a cero con las puntas juntas | Pila agotada, o hace falta el ajuste de cero de esa escala. |
| Medir 12 V da 11 V en la escala de 250 V | Error de clase referido al fondo de escala. En una escala de 250 V clase 1,5 el error es ± 3,75 V. |
| La aguja oscila y no se detiene | Falla en la amortiguación (marco de aluminio dañado), o la señal medida realmente está variando. |
10Autoevaluación
¿Por qué la escala de un instrumento de bobina móvil es lineal?
Porque el par motor es proporcional a la corriente y el par antagónico del resorte es proporcional al ángulo. Al igualarse, el ángulo resulta proporcional a la corriente. El núcleo de hierro dulce mantiene el campo radial, que es la condición para que eso valga en todo el recorrido.
Un galvanómetro de 100 µA y 1 kΩ. ¿Qué shunt hace falta para medir 500 mA?
Tensión a fondo de escala: 100 µA × 1000 Ω = 0,1 V.
Corriente por el shunt: 500 mA − 0,1 mA = 499,9 mA.
Rsh = 0,1 / 0,4999 = 0,2 Ω.
¿Cuál es la sensibilidad de ese mismo galvanómetro y qué resistencia presenta en la escala de 20 V?
S = 1/100 µA = 10.000 Ω/V. En la escala de 20 V presenta 10.000 × 20 = 200 kΩ.
¿Por qué el cero del óhmetro está a la derecha de la escala?
Porque con las puntas en corto (0 Ω) circula la máxima corriente y la aguja llega al fondo de escala. A mayor resistencia, menor corriente y menor desviación: la escala queda invertida y además no es lineal.
Un instrumento clase 2,5 con fondo de escala de 300 V. ¿Cuál es el error al medir 30 V?
Error absoluto: 2,5 % de 300 V = ± 7,5 V. Sobre una lectura de 30 V eso es un error relativo del 25 %. Hay que cambiar a una escala menor.
¿Por qué un instrumento de hierro móvil sirve para alterna y uno de bobina móvil no?
Porque en el hierro móvil las dos piezas se magnetizan siempre con la misma polaridad y se repelen sin importar el sentido de la corriente: el par no se invierte. En la bobina móvil, el par cambia de sentido con la corriente y el promedio en alterna es cero.
¿Qué mide un instrumento de bobina móvil con rectificador si la señal no es senoidal?
Responde al valor medio de la onda rectificada, pero su escala está calibrada suponiendo una senoidal (factor de forma 1,11). Con una onda cuadrada o recortada la lectura tiene error grosero. Sólo un instrumento True RMS (o de hierro móvil, o térmico) mide el eficaz verdadero.
¿Qué es el error de paralaje y cómo se evita?
Es el error de leer la aguja desde un ángulo lateral: la punta parece caer en otra marca. Se evita mirando perpendicularmente, y en los instrumentos de clase se usa el espejo de la escala: la lectura correcta es cuando la aguja tapa exactamente su reflejo.
¿Por qué el vatímetro necesita un mecanismo electrodinámico y no alcanza con multiplicar V por I?
Porque en alterna la potencia real depende del desfasaje entre tensión y corriente: P = V·I·cos φ. El electrodinámico tiene una bobina recorrida por la corriente y otra por la tensión, y su par es proporcional al producto instantáneo de ambas, así que el promedio da la potencia activa real, incluyendo el factor de potencia.