Un voltímetro es un instrumento que se utiliza para medir la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito eléctrico . Está conectado en paralelo . Suele tener una resistencia alta , de modo que absorbe una corriente despreciable del circuito.
Los voltímetros analógicos mueven una aguja a lo largo de una escala en proporción al voltaje medido y pueden construirse a partir de un galvanómetro y una resistencia en serie . Los medidores que utilizan amplificadores pueden medir voltajes diminutos de microvoltios o menos. Los voltímetros digitales brindan una visualización numérica del voltaje mediante el uso de un convertidor analógico a digital .
Los voltímetros se fabrican en una amplia gama de estilos, algunos se alimentan por separado (por ejemplo, mediante una batería) y otros se alimentan mediante la propia fuente de voltaje medida. Los instrumentos montados permanentemente en un panel se utilizan para controlar generadores u otros aparatos fijos. Los instrumentos portátiles, generalmente equipados para medir también la corriente y la resistencia en forma de multímetro, son instrumentos de prueba estándar utilizados en trabajos eléctricos y electrónicos. Cualquier medición que se pueda convertir a voltaje se puede mostrar en un medidor que esté calibrado adecuadamente; por ejemplo, presión, temperatura, flujo o nivel en una planta de procesamiento químico.
Los voltímetros analógicos de uso general pueden tener una precisión de un pequeño porcentaje de la escala completa y se utilizan con voltajes que van desde una fracción de voltio hasta varios miles de voltios. Los medidores digitales pueden fabricarse con una gran precisión, normalmente mejor que el 1 %. Los instrumentos de prueba especialmente calibrados tienen una precisión mayor, y los instrumentos de laboratorio pueden medir con una precisión de unas pocas partes por millón. Parte del problema de fabricar un voltímetro preciso es la calibración para comprobar su precisión. En los laboratorios, la celda de Weston se utiliza como voltaje estándar para trabajos de precisión. Existen referencias de voltaje de precisión disponibles basadas en circuitos electrónicos.
En los diagramas de circuitos, un voltímetro se representa con la letra V en un círculo, con dos líneas emergentes que representan los dos puntos de medición.
Un galvanómetro de bobina móvil puede utilizarse como voltímetro insertando una resistencia en serie con el instrumento. El galvanómetro tiene una bobina de alambre fino suspendida en un campo magnético intenso. Cuando se aplica una corriente eléctrica, la interacción del campo magnético de la bobina y del imán estacionario crea un par de torsión que tiende a hacer girar la bobina. El par de torsión es proporcional a la corriente que pasa por la bobina. La bobina gira, comprimiendo un resorte que se opone a la rotación. La deflexión de la bobina es, por tanto, proporcional a la corriente, que a su vez es proporcional al voltaje aplicado, que se indica mediante un puntero en una escala.
Uno de los objetivos de diseño del instrumento es perturbar lo menos posible el circuito, por lo que el instrumento debe consumir un mínimo de corriente para funcionar. Esto se logra utilizando un galvanómetro sensible en serie con una alta resistencia y luego todo el instrumento se conecta en paralelo con el circuito examinado.
La sensibilidad de un medidor de este tipo se puede expresar como "ohmios por voltio", es decir, la cantidad de resistencia en ohmios en el circuito del medidor dividida por el valor medido en escala completa. Por ejemplo, un medidor con una sensibilidad de 1000 ohmios por voltio consumiría 1 miliamperio con un voltaje de escala completa; si la escala completa fuera de 200 voltios, la resistencia en los terminales del instrumento sería200 000 ohmios y, a escala completa, el medidor consumiría 1 miliamperio del circuito bajo prueba. En el caso de instrumentos de rango múltiple, la resistencia de entrada varía a medida que el instrumento se cambia a diferentes rangos.
Los instrumentos de bobina móvil con un campo magnético permanente responden únicamente a la corriente continua. La medición de voltaje de CA requiere un rectificador en el circuito para que la bobina se desvíe en una sola dirección. Algunos instrumentos de bobina móvil también se fabrican con la posición cero en el medio de la escala en lugar de en un extremo; estos son útiles si el voltaje invierte su polaridad.
Los voltímetros que funcionan según el principio electrostático utilizan la repulsión mutua entre dos placas cargadas para desviar una aguja sujeta a un resorte. Los medidores de este tipo consumen una corriente insignificante, pero son sensibles a voltajes superiores a los 100 voltios y funcionan con corriente alterna o continua.
La sensibilidad y la resistencia de entrada de un voltímetro se pueden aumentar si la corriente necesaria para desviar la aguja del medidor se suministra mediante un amplificador y una fuente de alimentación en lugar de mediante el circuito bajo prueba. El amplificador electrónico entre la entrada y el medidor ofrece dos beneficios: se puede utilizar un instrumento de bobina móvil resistente, ya que su sensibilidad no necesita ser alta, y la resistencia de entrada se puede hacer alta, reduciendo la corriente extraída del circuito bajo prueba. Los voltímetros amplificados suelen tener una resistencia de entrada de 1, 10 o 20 megaohmios que es independiente del rango seleccionado. Una forma popular de este instrumento utilizaba un tubo de vacío en el circuito amplificador y, por lo tanto, se llamaba voltímetro de tubo de vacío (VTVM). Estos casi siempre se alimentaban con la corriente de la línea de CA local y, por lo tanto, no eran particularmente portátiles. Hoy en día, estos circuitos utilizan un amplificador de estado sólido que utiliza transistores de efecto de campo , de ahí FET-VM, y aparecen en multímetros digitales portátiles , así como en instrumentos de banco y de laboratorio. Estos reemplazaron en gran medida a los multímetros no amplificados, excepto en los rangos de precios más económicos.
La mayoría de los VTVM y FET-VM manejan voltaje de CC, voltaje de CA y mediciones de resistencia; los FET-VM modernos agregan mediciones de corriente y, a menudo, también otras funciones. Una forma especializada del VTVM o FET-VM es el voltímetro de CA. Estos instrumentos están optimizados para medir voltaje de CA. Tienen un ancho de banda mucho más amplio y una mejor sensibilidad que un dispositivo multifunción típico.
Un voltímetro digital (DVM) mide un voltaje de entrada desconocido al convertir el voltaje en un valor digital y luego muestra el voltaje en forma numérica. Los DVM generalmente están diseñados en torno a un tipo especial de convertidor analógico a digital llamado convertidor integrador .
La precisión de la medición del DVM se ve afectada por muchos factores, entre ellos la temperatura, la impedancia de entrada y las variaciones de voltaje de la fuente de alimentación del DVM. Los DVM menos costosos suelen tener una resistencia de entrada del orden de 10 MΩ. Los DVM de precisión pueden tener resistencias de entrada de 1 GΩ o más para los rangos de voltaje más bajos (por ejemplo, menos de 20 V). Para garantizar que la precisión de un DVM esté dentro de las tolerancias especificadas por el fabricante, debe calibrarse periódicamente con un estándar de voltaje como la celda Weston .
El primer voltímetro digital fue inventado y producido por Andrew Kay de Non-Linear Systems (y más tarde fundador de Kaypro ) en 1954. [1]
Los voltímetros de CA simples utilizan un rectificador conectado a un circuito de medición de CC, que responde al valor promedio de la forma de onda. El medidor se puede calibrar para mostrar el valor cuadrático medio de la forma de onda, suponiendo una relación fija entre el valor promedio de la forma de onda rectificada y el valor RMS. Si la forma de onda se aleja significativamente de la onda sinusoidal supuesta en la calibración, el medidor será inexacto, aunque para formas de onda simples la lectura se puede corregir multiplicándola por un factor constante. Los primeros circuitos de "verdadero valor eficaz" utilizaban un convertidor térmico que respondía solo al valor RMS de la forma de onda. Los instrumentos modernos calculan el valor RMS calculando electrónicamente el cuadrado del valor de entrada, tomando el promedio y luego calculando la raíz cuadrada del valor. Esto permite mediciones RMS precisas para una variedad de formas de onda. [2]
