Puntas de Prueba

Las puntas de medición de un Osciloscopio habitualmente tienen una sección de atenuación de la señal de entrada.

Donde el valor de Zeq será:

La impedancia de las puntas de prueba irá en decadencia a medida que la frecuencia de la señal de entrada aumente, la siguiente tabla corroborará esta premisa:

Note que el valor de Zeq es la parte real del resultado de la operación. Esto indica que la atenuación que proporcionan las puntas de prueba será afectada en forma proporcional al aumento de la frecuencia de la señal de entrada.

Interpretación de Especificaciones

Las empresas fabricantes de Instrumentos Electrónicos siempre tienen la necesidad de incluir junto a su producto un documento con las especificaciones del mismo. Este documento incluirá todas las descripciones útiles para el usuario final, todo esto con el fin de proporcionar el mejor servicio y la mayor efectividad posibles.

Normalmente estas especificaciones se encuentran en inglés, esto es debido a que las empresas que fabrican los mejores productos son extranjeras y su campo de cobertura es internacional. A continuación presento el Technical Data de un equipo manufacturado por FLUKE.

Fluke 114 - Electrical Multimeter Specifications

En estas especificaciones podemos encontrar datos como:

• Detalles de visualización
• Modos de operación.
• Rangos de operación.
• Temperatura de operación.
• Características de alimentación.
• Precisión para cada uno de los modos y sus diversos rangos en función también de la frecuencia (señal AC).
• Información de contacto con la Empresa.

Por ejemplo, la precisión de este Multímetro se define en las siguientes líneas:

Accuracy is specified for 1 year after calibration, at operating temperatures of 18 °C to 28 °C, with relative humidity at 0 % to 90 %.

The accuracy specifications take the form of: ± ( [ % of Reading ] + [ Counts ] )

Traducción:

La precisión es especificada para un año luego de la calibración de fábrica, operando a temperaturas entre 18 °C y 28 °C, con una humedad relativa de 0% a 90%.

El cálculo de precisión en las especificaciones se realiza: ±([% del dato a medir] +[Cuentas])

(El valor de Cuentas se calcula dividiendo el valor máximo del rango en las cuentas posibles del display)

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Para un ejemplo de este Instrumento supongamos que vamos a medir una resistencia de 47 KOhms. Las especificaciones nos dicen:

E = ±([0.9% de 47000] +1*[60000/6000])

de este modo, el error será de ±433 Ohms.

Es importante interpretar correctamente las especificaciones ya que si operamos el instrumento en un modo o rango inadecuado los errores resultantes pueden llegar a ser demasiado influyentes y nuestro trabajo resultaría perjudicado.

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Análisis con coeficiente de Temperatura

Vimos que la precisión de un instrumento está dada por:

E = ±([% del dato a medir] +[Cuentas])

Para el caso de mediciones fuera del rango de temperatura de operación, la precisión se verá afectada. Consideremos un segundo valor de Precisión E2:

CtE2 = ±([% del dato fuera del rango de operación]+[Cuenta fuera del rango de operación])*(n°C)

donde n°C es la número de de grados Celsius por fuera del rango de operación normal que multiplicará a los coeficientes de ctE2, y, los coeficientes de E2 serán proporcionados por el fabricante. El valor final de Et será:

Et = ±(a+a')% + [b+b']

a representa el valor dentro del rango de temperatura y a' el de fuera del rango, de igual modo para b y b'.

Ejemplo:

E = ±([0.5%] +[2]) (18 °C a 32 °C) 
CtE2=  ±([0.3%] +[3])*(n°C)

Se pide realizar una medida de 27 Omhs en un el rango de máximo 100 Ohms con un número de 2000 cuentas para el Display, la temperatura actual será de 15°C.

de CtE2:

0.3*3 = 0.9 (%de la lectura multiplicado por los 3 °C de desviación)
3*3 = 9 (coeficiente de Cuentas multiplicado por los 3 °C de desviación)

Et = ±([0.5+0.9]% + [2+9]) (sumando a+a' y b+b')

Et = ±(27*(1.4%) + 11[100/2000])

Et = ±928 mOhms

El Amplificador de Instrumentación

Es un dispositivo creado a partir de Amplificadores Operacionales, su diseño tiene como objetivo una alta impedancia de entrada y un CMRR alto, lo que logra impedir la entrada de ruido. Se puede construir con componentes discretos o también comprar el encapsulado.

Su entrada debe ser diferencial, por ende, la operación que realizará será una resta de las entradas de sus terminales para luego multiplicar el resultado por un factor, este factor es la ganancia del Amplificador de Instrumentación  la cual puede ser bastante alta. Ahora que sabemos cuales son sus características podemos ir suponiendo cual es el uso general que tienen estos amplificadores. Pues bien, su uso está orientado a señales de voltaje débiles, es una excelente herramienta si se desea adecuar una señal bio-eléctrica, por ejemplo, la señal de voltaje que produce el corazón en una persona, Por esta razón es frecuentemente usado en equipos de Medicina.

Este imagen corresponde a un amplificador de instrumentación ideal. Existen otros tipos de amplificadores de instrumentación basados en menos amplificadores operacionales o en otras configuraciones, pero esta configuración es la que tiene mejores resultados.

El análisis matemático arroja la siguiente ecuación para el voltaje de salida:

Una de las empresas que fabrica amplificadores de instrumentación en pastilla es Texas Instruments©.    A continuación muestro el Data Sheet del INA131, el cual he usado y comprobado su efectividad.

INA131 DataSheet From TI

Este amplificador de instrumentación tiene una ganancia por defecto de 100, su ganancia puede ser modificada pero solo para que sea mayor a 100. He aquí un vídeo que muestra al INA131 funcionando con G=100.

  

Y aquí, una muestra de uno de los usos convencionales del Amplificador de Instrumentación; Acondicionador de la salida de un puente de Wheastone.

Una de las cosas mas geniales del amplificador de instrumentación encapsulado es su fácil manipulación y su alta fidelidad. Recomendado totalmente.

Puentes de medición AC

Puente de Maxwell

Si comparamos este puente con el puente de wheastone veremos que se trata esencialmente de la misma arquitectura, las únicas variaciones son la fuente de alimentación y la inclusión de componentes no lineales. El análisis es similar, ya que para equilibrar el puente la impedancia capacitiva y la inductiva deben igualarse, por ende, el circuito se comportará exactamente como el puente de wheastone en equilibrio y su voltaje diferencial visto en los nodos A y B será cero. Las ecuaciones que definen el equilibrio de este puente son: 

La forma más básica y sencilla de usarlo es teniendo los valores de C1 y R1 fijos, de este modo, la variación de R2 y R3 nos permitirá llevar el puente a un estado de equilibrio. Este puente se usa para medir inductancias con bajo Q, esto es, que la energía que almacena es chica comparada con la energía que disipa dentro de un ciclo de trabajo. 

Puente de Hay

Es similar al puente de Maxwell, la única diferencia es que la red capacitiva se encuentra en serie y no en paralelo, su análisis de impedancias será similar al puente de Maxwell, y las ecuaciones que definen el estado de equilibrio serán:

Veremos que aparece w, pero esta es una variable que depende de la frecuencia de la señal de entrada, donde:

Este puente es usado para madir inductancias con alto Q, esto es, que almacenan gran energía comparada con la que disipan.

Puente de Schering

Este puente no tiene ningún componente inductivo y se usa para medir capacitancias. las ecuaciones resultantes para el estado de equilibrio son las siguientes:

Puente de Wien 

Al escuchar este nombre todos pensamos en un oscilador, pero el oscilador de Wien es un circuito basado en este puente que usa realimentación positiva. Se trata de un puente usado para medir frecuencias

  

En estos puentes normalmente se usan todos los resitores iguales y todos los capacitores iguales, de este modo, el valor de la frecuencia será:

Puente de Kelvin

El puente de Kelvin, es una ligera variación del puente de Wheastone, su objetivo con respecto al puente del que deriva es mejorar su respuesta cuando Rx es muy pequeña. Esto se logra teniendo en cuenta la impedancia del alambre que conecta la resistencia a medir.

En este caso, Rp  Rx son dos resistencias de bajo valor, y Rc es el conductor que representa una impedancia muy pequeña. Suponiendo Rc es comparable con Rp y Rx, El resultado dependará del punto en el cual se ubique el Voltímero, los posibles puntos están definidos con la línea punteada. Cuanto mas cerca se conecte del punto M el valor medido estará por encima del valor real, cuanto mas cerca esté del punto N el valor medido estará por debajo del valor real. 

Ahora, si el voltímetro es conectado a un punto intermedio entre M y N, la relación que define el equilibrio del puente se reducirá a:

Sin embargo, el hecho de que para lograr una medición correcta haya que "buscar" una posición entre M y N que lo permita es muy tedioso, por esta razón, el puente de Kelvin no es muy práctico y se usa muy poco.

Puente Doble de Kelvin

El puente doble de Kelvin o puente de Thompson, es la versión mejorada del puente simple de Kelvin.

A diferencia del puente de Kelvin simple, los Puntos M y N son reemplazados por las resistencias R2 y R4, las cuales tienen valores conocidos y grandes, el Voltimetro se conectará ahora en la unión de estas dos resistencias, esto eliminará la necesidad de ubicarse a través de una posible línea y el valor de resistencia Rx para equilibrar el puente será:

Comparado con el puente de Kelvin, esta versión es mucho más precisa y sin ambigüedades, es la versión mas usada de este puente, pero solo si la resistencia Rx es de valor pequeño. Para resistencias de valor estándar (mayor a 50 Ohms) es mejor utilizar el puente de Wheastone debido a que es mucho mas simple y fácil de analizar.

Puente de Wheastone

El puente Wheatstone es un circuito inicialmente descrito en 1833 por Samuel Hunter Christie (1784-1865). Sin embargo, fue el Sr. Charles Wheatestone quien le dio muchos usos cuando lo descubrió en 1843. Como resultado este circuito lleva su nombre. Es el circuito mas sensitivo que existe para medir una resistencia.

Este puente usa un fuente CC y sus componentes son todos puramente resistivos, su análisis se basa en las leyes de kirchoff para estimar el voltaje diferencial entre los nodos a y b. Normalmente el único valor desconocido en este puente es la resistencia que se va a medir Rx, de este modo, el valor de la resistencia Rx definirá cual es su relación con el voltaje fijo en el nodo b:

Equilibrar un puente significa modificar los valores de sus componentes para lograr una salida nula, esto es, Vo = 0 V. Para equilibrar este punte se realiza el siguiente análisis:

Como se observa, el valor de Rx puede ser calculado a partir de las demás resistencias para garantizar el equilibrio del puente.