Medición de señales no senoidales
Un multímetro que no es true RMS lee una onda cuadrada un 11 % de más y un tren de pulsos del 10 % un tercio de menos. Con la senoidal, la única forma para la que está calibrado, acierta.
01Tres valores para una misma señal
De una tensión periódica se pueden medir varias cosas, y cada una responde a una pregunta distinta:
Dos cocientes resumen la forma de la onda: el factor de forma, \( V_{ef}/V_{rect} \), y el factor de cresta, \( V_{pico}/V_{ef} \). Para una senoidal valen 1,111 y 1,414. Los valores de la senoidal y su uso en la red están en mediciones en corriente alterna, de la tecnicatura.
02Instrumentos de valor medio calibrados en eficaz
El voltímetro de alterna más simple rectifica la señal y mide su valor medio. Para que muestre valor eficaz, su escala se multiplica por el factor de forma de la senoidal, 1,111. Con una senoidal la lectura es correcta; con cualquier otra forma, el instrumento aplica un factor que no corresponde:
Muchos multímetros económicos siguen funcionando así. La especificación lo delata cuando dice «respuesta al valor medio» o «calibrado para senoidal» en lugar de «verdadero valor eficaz» (true RMS).
03Verdadero valor eficaz y sus límites
Un instrumento de verdadero valor eficaz calcula la raíz del promedio del cuadrado: con un conversor analógico logarítmico, con un sensor térmico que compara el calentamiento, o muestreando y calculando digitalmente. Mide bien cualquier forma de onda, pero dentro de dos límites que la especificación indica:
- Ancho de banda. Las armónicas por encima de su frecuencia de corte no se suman. Una cuadrada de 20 kHz tiene armónicas en 60, 100, 140 kHz…; un instrumento de 100 kHz solo ve las tres primeras y lee un 3,4 % de menos.
- Factor de cresta máximo. Los pulsos angostos tienen picos muy altos frente a su valor eficaz, que saturan la entrada. Típicamente se admite un factor de cresta de 3 a plena escala.
Otro detalle: casi todos los multímetros miden en alterna con acoplamiento capacitivo, sin la componente continua. El valor eficaz total es \( \sqrt{V_{med}^2 + V_{ef,AC}^2} \), y algunos instrumentos tienen un modo «AC + DC» que lo mide directamente.
Una señal de 1 V de pico. Dos voltímetros en alterna (sin la continua): uno de valor medio calibrado para senoidal y uno de verdadero valor eficaz con 100 kHz de ancho de banda y factor de cresta máximo de 3. Arriba la señal, con su valor medio en línea de trazos.
04Pico, pico a pico y el osciloscopio
Para señales muy distorsionadas, pulsos o transitorios, ninguna lectura única alcanza: hay que ver la forma. El osciloscopio da los valores pico y pico a pico directamente, y los digitales calculan además el valor medio y el eficaz sobre la forma adquirida, con la precaución de hacerlo sobre un número entero de períodos. Para el contenido armónico, el instrumento indicado es el analizador de espectro o la FFT del osciloscopio.
05Dónde aparece en la electrónica
| Caso | Por qué importa |
|---|---|
| Corriente de una fuente conmutada o un variador | Pulsos angostos con factor de cresta alto; un instrumento de valor medio lee muy por debajo |
| Tensión de salida de un dimmer | Senoidal recortada; el valor eficaz depende del ángulo de disparo |
| Ondulación de una fuente | Pequeña alterna sobre mucha continua: hay que medir solo la componente AC |
| Corriente de neutro con cargas no lineales | Las terceras armónicas se suman y el neutro puede llevar más corriente que las fases |
06En el laboratorio
Medir una senoidal, una cuadrada, una triangular y pulsos de 10 % y 5 % con un multímetro de valor medio y uno true RMS. Comparar con los valores del laboratorio.
Barrer la frecuencia de una onda cuadrada desde 1 kHz hasta 200 kHz y registrar la lectura del true RMS. Encontrar a qué frecuencia empieza a leer de menos.
Medir la corriente de entrada de un cargador de celular con una pinza true RMS y con un multímetro de valor medio, y ver su forma con el osciloscopio.
07Errores frecuentes
- Medir formas no senoidales con un instrumento de valor medio. El error puede superar el 30 %.
- Olvidar que la escala de alterna quita la continua. Una cuadrada de 0 a 5 V se lee como 2,5 V, no 3,5 V.
- Superar el factor de cresta. El true RMS satura y lee de menos sin avisar.
- Ignorar el ancho de banda. Un multímetro de mano suele tener unos pocos kilohertz.
08Autoevaluación
¿Qué lee un voltímetro de valor medio ante una cuadrada de ±2 V?
\( 1{,}111 \cdot 2 = 2{,}22 \) V, cuando el valor eficaz es 2 V.
¿Cuál es el valor eficaz de una triangular de 3 V de pico?
\( 3/\sqrt3 = 1{,}73 \) V.
¿Qué factor de cresta tiene un tren de pulsos de 0 a 1 V con ciclo de trabajo del 10 %, sin la continua?
Pico de 0,9 V sobre 0,3 V eficaces: 3.
Una señal tiene 2 V de continua y 1,5 V eficaces de alterna. ¿Cuál es su valor eficaz total?
\( \sqrt{4 + 2{,}25} = 2{,}5 \) V.
09Para ampliar
- Analog Devices. RMS-to-DC Converters Application Guide. 2.ª ed., Analog Devices, 1986. Cómo se mide el verdadero valor eficaz, con los límites de ancho de banda y factor de cresta.
- Fluke Corporation. Calibration: Philosophy in Practice. 2.ª ed., Fluke, 1994. La medición de alterna en la práctica de la calibración, con el tratamiento de formas no senoidales.
- Albert D. Helfrick y William D. Cooper. Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición. Prentice Hall Hispanoamericana, 1991. Los voltímetros de alterna de respuesta al valor medio, al pico y al eficaz.