PRÁCTICA 6 CONSTRUCCIÓN Y USO DE UN AMPERÍMETRO MULTIRANGO

OBJETIVO En base del dato (conocimiento de la Ri del galvanómetro) de la práctica anterior construir un amperímetro de 0.02A de fondo de escala (se puede hacer un multi-rango). Determinar la constante de escala del nuevo medidor y usarlo para medir las intensidades de corriente en un circuito eléctrico.

TEORÍA:

Amperímetro

Los amperímetros son instrumentos que se conectan a la línea cuya intensidad de corriente se desea medir, un amperímetro es un instrumento que mide corrientes altas en un circuito eléctrico.

El microamperímetro de corriente continua es un instrumento de tipo Weston. La bobina del instrumentos es enrollado de tal modo que pueden señalar una deflexión en todo el campo de la escala para intensidades desde 25 micro-amperios (uA) a 50 miliamperios (5OmA). Para medir intensidades superiores, se hace uso de un SHUNT que deriva una fracción de la corriente y, en general, se hace pasar por él la mayor parte de la corriente a medir. El SHUNT es simplemente una resistencia baja, el AMPERÍMETRO es un galvanómetro en paralelo con una resistencia SHUNT,

Resistor de derivación shunt

Puesto que el devanado de la bobina del movimiento básico es pequeño y ligero, sólo puede conducir corrientes muy pequeñas. Cuando se miden corrientes elevadas es necesario desviar la mayor parte de la corriente por una resistencia, llamada de derivación (shunt) (figura 1).

Figura 1. Galvanómetro con resistencia shunt

La resistencia de derivación se calcula aplicando un análisis convencional de circuitos a la figura 1 donde:

Rg= resistencia interna del galvanometroRs = resistencia de derivación shuntIg= corriente de deflexión a plena escala del movimiento

Is = corriente de derivaciónI = corriente a plena escala del amperímetro incluyendo la de derivaciónLa resistencia de derivación está en paralelo con el movimiento del medidor, el voltaje a través de la resistencia y el movimiento deben ser iguales, por lo tanto Vderivacion = Vmovimiento

ISRS = IgRg y Rs=I g R gI s

Como Is = I – Ig, se puede escribir

Rs= I g R gI−I g

Si dividimos para Ig

Rs= R gn−1

Para cada valor de corriente necesaria a escala completa del medidor, se puede calcu-lar el valor de la resistencia de derivación (shunt) requerida.La resistencia de derivación utilizada con el movimiento básico puede consistir de un alambre de resistencia de temperatura constante en la caja del instrumento o bien puede ser una derivación externa con una resistencia muy baja. Esta consiste de hojas de material resistivo igualmente-espaciadas soldadas a un bloque pesado de cobre en cada uno de los extremos de las hojas. El material resistivo tiene un coeficiente de temperatura muy bajo, y existe un efecto termoeléctrico bajo entre el material resistivo y el cobre. Por lo general se emplean derivadores externos de este tipo para medir corrientes muy grandes.

La escala de corriente del amperímetro cd se puede extender mediante varias resistencias de derivaciones, seleccionadas por un interruptor de rango. Tal medidor se llama amperímetro multirrango. La figura 2 muestra el diagrama esquemático de un amperímetro multirrango. El circuito tiene cuatro derivaciones, Ra, Rb, Rc y Rd, que se pueden colocar en paralelo con el movimiento para dar cuatro escalas de corrientes diferentes. El interruptor S es de multiposición, del tipo que hace conexión antes de desconectar, de manera que el movimiento no se vea afectado cuando el circuito se queda sin derivación, al cambio de rango.

Figura 2. Diagrama esquemático de un amperímetro multirrango simple.

Derivación de Ayrton

Esta derivación ayuda a mantener siempre una derivación de corriente, lo cual impide que nuestro galvanómetro se quede sin resistencia de derivación, en el grafico anterior podemos ver que en el cambio de una posición a otra podría circular toda la corriente por el galvanómetro quemándolo, esta derivación de Ayrton nos da más protección.

Figura 3. Derivación universal o de Ayrton.

ESQUEMA DE CONEXIONES

Circuito 1. Resistencia shunt experimental

Circuito 2.- Circuito a medir con los diferentes instrumentos

MATERIAL UTILIZADO

1 Fuente de C. C.Fuente de tres fase con voltímetro y amperímetro incorporado

Rango de los instrumentos incorporados

0-5V 0- 1500mA

Fase 1

0 - +20V

0 - 600mA

Fase 2

0 - -20V

0 -

Fase 3

0 - 5V

0 -

0-20V 0- 500mA 500mA 35A

1 Reóstato

600 Type 2791 Serial 002340 0.5 A

1 Microamperímetro Analógico (TRIPELETT)

Model 320-G Rango

0-3mA DC

1 Multímetro Analógico (Simpson)

Model 630-NA Rangos de voltaje AC y DC Escalas de resistencia

Rango de corriente

1 Multímetro Digital

DC 1000V máx CAT I 1200V

AC 1000V máx CAT II 600V

Escalas

200mV 2V 20V 200V

200µA 20mA 200mA 2000mA

200m 20 200 2000 20M

1 Resistor decádico

RangoSerial 19038

0-10KMáx 23mA

0 - 1KMáx 80mA

0 - 100 Máx 25mA

0 - 10Máx 800mA

0 - 1 Máx 1.6A

0 - 0.1Máx 4A

1 Interruptor doble con protección

20 A 250 VAC

3 Interruptores simples

10 A 125 VAC

1 Banco de resistencias de carbón

Resistor

300 (250 + 50) 600W

100 25W

300 (100 + 200) 50W

Cables con diferentes terminales

PROCEDIMIENTO PRÁCTICO:

USO DEL GALVANÓMETRO COMO AMPERÍMETRO

En el circuito 1 para obtener la resistencia shunt experimental, con Rv en el máximo valor, colocar Rs calculado para 0.02A de fondo de escala.

Aumentar el voltaje y verificar que el microamperímetro marque el fondo de escala y el amperímetro los 2mA

En caso de ser necesario ajustar simultáneamente Rv y Rs para que los dos miliamperímetros, marquen los valores de fondo de escala (El valor de Rs es el valor práctico de Rsh) y los terminales a – b son los terminales del nuevo miliamperímetro (escala 0.02A).

USO DE LA ESCALA DEL MILIAMPERÍMETRO COMO VOLTÍMETRO

Armar el circuito 2 con los elementos de protección y maniobra necesarios. Conectar a la fuente con 1.5V DC, medir la corriente total y corriente en cada

elemento Para medir la corriente se abre el interruptor y se coloca el instrumento de

medida Con el amperímetro construido, aplicar la nueva constante de escala calculada

Tabla 1.- Valores calculados para Ife=0.02AResistencia shunt It I por S2 I por S3 Nueva constante de escala

2.15 12mA 9mA 3mA 0.33mA/DivTABLA DE DATOS

Tabla2. Valor promedio de las medidas y error porcentual Rs=2.11

Instrumento Valor medido Error porcentual

It I por S2 I por S3 It I por S2 I por S3Amperímetro 11.1mA 7.92 mA 2.31 mA 4.31% 2.34% 0.1%

Multímetro Digital 11.6 mA 8.11 mA 2.31 mA 0% 0% 0%

Multímetro analógico 11 mA 7.5 mA 2.76 mA 5.17% 7.52% 19.48%

CÁLCULOS

Cálculos del circuito

Req=R2∗R3R3+R 4

=100∗300400

=75Ω

RT = R1+Req

RT=50+ 75Ω=125

I t=VR

= 1.5125

=0.012 A

V eq=I tReq

V eq=0.012A*75=0.9V

I=VR

I 1=0.9V100

=9mA

I 1=0.9V300

=3mA

Calculo de resistencia shunt a utilizar

Rs=I gRgI−I g

RS=(3mA )12.2(20−3 )mA

Rs=2.1529

Ejemplo de cálculo de error para It con el amperímetro diseñado

E%= valor medido−valor realvalor real

∗100

E%=¿11.1−11∨ ¿11

∗1¿00

E%=4.31%

IT

IT

IT

I1

I2

Escala elaborada

K= 20mA60÷¿¿

K ≅ 0.33mA

Rs=2.11

Comentario y justificación de errores:

Debido a que la constante escala es igual ≅0.33mA tenemos una falla en la tercera cifra significativa debido a los decimales, además si la aguja nos marca en medio de un valor, la lectura del dato quedará a criterio del observador aumentando la posibilidad de un error debido a la mala apreciación del observador.

Otro factor a tomar en cuenta es que la resistencia shunt encontrada experimentalmente varía con respecto a la calculada, por lo que la corriente que circula por esta es diferente, además al estar en paralelo la resistencia interna del multímetro disminuye pero el instrumento aun tiene una resistencia interna que afecta al circuito.

Multímetro para 1A Y 3A

Datos Ig=3mARg=12.2Rs=? I=1A, I=3A

Para 1A

Rs=I gRgI−I g

RS=(3mA )12.2

(1000−3 )mA

Rs=0.03671

Para 3A

Rs=I gRgI−I g

RS=(3mA )12.2

(3000−3 )mA

Rs=0.1221

Escala para 1A y 3A

Diagrama circuital y constantes

Fondo de escalaConstantes de escala Datos Div=60K=? Ig, I=1A, I=3A

Para la original

K= 30m A60÷¿¿

K=0.5mA¿

Para 1A

K= 1 A60÷¿¿

K ≅ 16.67 mA¿

Para 3A

K= 3 A60÷¿¿

K=50 mA¿

COMENTARIO Y JUSTIFICACIÓN SOBRE LOS ERRORES OBTENIDOS EN LA PRÁTICA

Los errores obtenidos con el amperímetro diseñado son bajos por lo que se puede decir se puede construir un amperímetro con un microamperímetro, siempre y cuando se conozca la resistencia interna del mismo, los errores obtenidos se deben a que la constante de escala es mayor, es decir cada división nos representa mayor magnitud por lo que al tomar las medidas se debe tener una buena apreciación de la lectura.

El error también puede ser por la resistencia interna de los instrumentos de medida, incluso el multímetro digital presenta una resistencia interna que altera la corriente en el circuito, y el amperímetro diseñado también posee su resistencia interna que afecta las magnitudes en el circuito.

Dentro de los factores para tener estos errores está la sensibilidad de los instrumentos, ya que todos tienen diferente sensibilidad, la resistencia interna de la fuente ya que no es una fuente ideal, y otros factores como temperatura, humedad, y campos magnéticos en los alambres los cuales pueden alterar el movimiento de la aguja.

CONCLUSIONES:

Al conocer la resistencia interna de un microamperímetro se puede diseñar un amperímetro multi-escala, con una resistencia shunt en paralelo al microamperímetro, desviando una parte de corriente, además la resistencia total del microamperímetro disminuirá afectando menos en las magnitudes de circuito a medir

Al construir un amperímetro la apreciación disminuirá ya que la constante de escala aumentará y cada división nos representará mayor magnitud por lo que la probabilidad de cometer errores por apreciación del lector aumentará.

Para construir un amperímetro de mayor fondo de escala se necesitará una resistencia shunt cada vez de menor valor para que por esta circule mayor cantidad de corriente, por lo puede ser una dificultad ya que este tipo de resistencia no se encuentra en el mercado.

La resistencia shunt además de desviar la mayor parte corriente sirve como una protección al microamperímetro, ya que lo primero en quemarse en un exceso de corriente sería la resistencia shunt por ello una excelente protección sería la Derivación universal o de Ayrton indicada en la figura 3

RECOMENDACIONES

Al tomar las medidas de corriente colocar el amperímetro en los terminales del interruptor y abrir el mismo, y fijarse que el resto de interruptores estén cerrados.

Fijarse que las conexiones estén bien realizadas y no estén flojas ya que pueden alterar las medidas obtenidas

Verificar que el microamperímetro encere correctamente, es decir que marque cero cuando no pase corriente por este.

POSIBLES APLICACIONES

Aprender a diseñar un amperímetro es de gran utilidad ya que podemos tener casos en los que se necesite aumentar la escala para obtener las medidas necesarias y evitar daños en el instrumento.

Como vimos si se realiza una derivación universal de Ayrton que es una forma especial de shuntar las resistencias, se daría una protección al instrumento además de aumentar su escala.

BIBLIGRAFÍA ADICIONAL

Hablemos de Electricidad – Teoría y Problemas, Ing. Augusto Cevallos R., Escuela Politécnica Nacional, Quito – Ecuador, 2000.

http://www.labc.usb.ve/mgimenez/Lab_Circ_Electronicos_Guia_Teorica/ Cap7.pdf