24. Medición de corriente, voltaje y resistencia con instrumentos reales

24.1 Medir es comparar e intervenir

Una medición compara una magnitud desconocida con una referencia incorporada en un instrumento. El resultado se expresa mediante un valor, una unidad y una incertidumbre. Un multímetro digital realiza esa comparación convirtiendo señales eléctricas en números.

Al conectar el instrumento se agrega una nueva rama o una nueva resistencia al circuito. El modelo ideal ayuda a entender el procedimiento; el modelo real permite estimar cuánto altera la medición.

24.2 El multímetro como varios instrumentos

Un multímetro reúne, como mínimo, voltímetro, amperímetro y óhmetro. El selector cambia el circuito interno y las bornas determinan por dónde ingresa la señal.

• En voltaje, el instrumento presenta una resistencia de entrada grande y se conecta en paralelo.
• En corriente, presenta una resistencia pequeña y se intercala en serie.
• En resistencia, utiliza su propia fuente interna y se conecta al componente sin energía externa.

Elegir una función no corrige una conexión equivocada: función, rango, bornas y posición de las puntas deben ser coherentes.

24.3 Instrumento ideal e instrumento real

24.4 Medir voltaje: conexión en paralelo

El voltaje es una diferencia de potencial entre dos puntos. Para medir V_AB, la punta roja se coloca en A y la negra en B, sin abrir la rama original.

En corriente continua suele conectarse la punta negra a COM. En corriente alterna no hay una polaridad fija, pero siguen importando la función, el rango y los límites del equipo.

24.5 Resistencia de entrada y efecto de carga

Un voltímetro real equivale aproximadamente a una resistencia R_V conectada entre sus puntas. Al medir sobre R₂, ambas quedan en paralelo:

El circuito ya no contiene R₂, sino R′₂. Cuanto mayor sea R_V respecto de la resistencia equivalente vista desde los terminales, menor será el efecto de carga.

24.6 Ejemplo: un divisor cargado por el voltímetro

Un divisor de 12 V utiliza R₁ = R₂ = 1 MΩ. Sin instrumento, la salida es 6 V. Si el voltímetro posee R_V = 10 MΩ:

Una entrada de 10 MΩ resulta excelente en circuitos de baja resistencia, pero no es infinita frente a resistencias del orden de los megaohms.

24.7 Sensibilidad de voltímetros analógicos

En un instrumento analógico pasivo, la resistencia de entrada suele especificarse en ohms por volt. Un medidor de 20 kΩ/V en el rango de 10 V presenta:

Al cambiar de rango cambia su resistencia de entrada. Esto explica por qué un voltímetro analógico puede cargar mucho más un circuito que uno digital moderno.

24.8 Medir corriente: abrir e insertar en serie

Para medir la corriente de una rama hay que abrirla e insertar el amperímetro, de manera que toda su corriente atraviese el instrumento. No se coloca un amperímetro directamente entre dos nodos de diferente potencial.

Antes de energizar se debe comprobar la borna de corriente, el rango y el estado del fusible. Es prudente comenzar por el rango mayor cuando se desconoce el valor.

24.9 El shunt y la resistencia interna del amperímetro

La corriente se obtiene midiendo la pequeña caída de tensión sobre una resistencia interna llamada shunt. El conjunto de shunt, fusible, contactos y cables introduce una resistencia R_A.

Si una fuente V alimenta una carga R, la corriente ideal y la medida son:

La lectura suele ser menor que la corriente que circulaba antes de insertar el medidor.

24.10 Voltaje de carga o burden voltage

La caída introducida por el amperímetro se denomina voltaje de carga:

En circuitos de muy baja tensión puede ser importante incluso con corrientes modestas. Los rangos de microamperes y miliamperes pueden utilizar shunts distintos y, por lo tanto, presentar diferentes voltajes de carga.

24.11 Medición indirecta de corriente

Cuando insertar el instrumento perturba demasiado el circuito, puede medirse el voltaje sobre una resistencia conocida y aplicar I = V/R. Un shunt externo de cuatro terminales separa los contactos que conducen corriente de los que miden voltaje.

Una pinza amperométrica permite medir sin abrir el conductor. En corriente alterna puede usar un transformador de corriente; para corriente continua se requieren sensores capaces de detectar el campo estático, como los de efecto Hall.

24.12 Medir resistencia: circuito desenergizado

El óhmetro aplica una señal de prueba conocida y deduce R a partir de la respuesta. Por eso el circuito debe estar apagado, aislado de fuentes y con los capacitores descargados de manera segura.

Una tensión externa puede falsear la lectura, dañar el instrumento o crear un riesgo para la persona que mide.

24.13 Medición dentro y fuera del circuito

Si un resistor R_x permanece conectado a otros caminos, el óhmetro observa la resistencia equivalente entre sus puntas. Con un camino paralelo R_p:

La lectura puede ser menor que el valor del componente. Levantar uno de sus terminales elimina los caminos paralelos y permite medirlo de forma aislada.

24.14 Resistencias pequeñas y método de cuatro hilos

En una medición de dos hilos, la resistencia de ambas puntas y contactos se suma al valor desconocido:

La medición Kelvin de cuatro hilos inyecta corriente por un par y mide voltaje con otro. Como por los cables de medida circula corriente despreciable, sus caídas casi no afectan V/I.

24.15 Continuidad y prueba de diodos

El modo continuidad emite una señal cuando la resistencia está por debajo de un umbral definido por el fabricante. Es útil para localizar conexiones abiertas, pero el sonido no implica necesariamente una resistencia igual a cero.

El modo diodo aplica una corriente de prueba y muestra aproximadamente la caída directa. No debe confundirse con el modo resistencia, y la lectura puede verse alterada por componentes conectados en paralelo.

24.16 Rango, resolución y conteos

El rango fija el mayor valor representable y la resolución es el menor incremento mostrado. En un rango de 20,00 V, el último dígito representa 0,01 V. Más dígitos no garantizan por sí solos una medición más cercana al valor verdadero.

Un equipo de rango automático elige la escala, pero puede tardar en estabilizarse o cambiar de rango ante una señal variable. El rango manual facilita comparar lecturas con resolución constante.

24.17 Exactitud e incertidumbre especificada

Una especificación frecuente tiene la forma ±(porcentaje de la lectura + cantidad de dígitos). Si se leen 5,00 V con exactitud ±(0,5 % + 2 dígitos) y resolución de 0,01 V:

Según esa especificación, el valor compatible se encuentra entre 4,955 V y 5,045 V. Deben respetarse además las condiciones de temperatura, frecuencia y calibración indicadas por el fabricante.

24.18 Resolución, precisión y exactitud no son sinónimos

• Resolución: menor cambio que puede distinguir la indicación.
• Repetibilidad o precisión: cercanía entre mediciones repetidas en las mismas condiciones.
• Exactitud: cercanía al valor verdadero dentro de límites declarados.
• Calibración: comparación documentada con patrones para conocer el error del instrumento.

Una lectura estable con muchos decimales puede ser repetible y, aun así, estar desplazada por error sistemático.

24.19 Medición de corriente alterna

En alterna suele interesar el valor eficaz o RMS, equivalente por efecto térmico a una corriente continua. Un instrumento que responde al promedio y está calibrado para una senoide puede indicar mal ante formas de onda distorsionadas.

Un medidor true RMS calcula el valor eficaz dentro de límites de amplitud, frecuencia y factor de cresta. La etiqueta true RMS no elimina esos límites: hay que consultar el ancho de banda y las especificaciones.

24.20 Impedancia de entrada y señales variables

En continua suele bastar el modelo resistivo R_V. En señales variables, la capacitancia de entrada y la de los cables crean una impedancia dependiente de la frecuencia.

Al aumentar la frecuencia, la reactancia capacitiva disminuye y la carga puede crecer. Para observar señales rápidas suele ser más adecuado un osciloscopio con una sonda correctamente compensada.

24.21 Bornas, cables y una secuencia de conexión

1. Identificar la magnitud, el orden de valor esperado y si es continua o alterna.
2. Inspeccionar instrumento, fusibles, aislamiento y puntas.
3. Colocar negro en COM y rojo en la borna correcta.
4. Seleccionar función y un rango suficiente antes de conectar.
5. Conectar en paralelo para voltaje o en serie para corriente.
6. Leer con unidades y signo; luego desconectar y devolver la punta roja a la borna de voltaje.

Dejar la punta roja en la entrada de corriente es una causa frecuente de cortocircuitos en la medición siguiente.

24.22 Seguridad y categorías de medición

La tensión máxima impresa no describe por sí sola la capacidad de soportar transitorios. Las categorías CAT consideran el lugar de la instalación y la energía disponible; el instrumento y las puntas deben ser adecuados para el entorno.

• No trabajar sobre red eléctrica o instalaciones de alta energía sin formación, procedimientos y protección apropiados.
• Desenergizar siempre que sea posible y comprobar la ausencia de tensión con un método seguro.
• No superar límites de entrada ni usar puntas, fusibles o carcasas dañadas.
• Evitar cambiar conexiones o funciones de corriente con el circuito energizado.
• Descargar capacitores mediante un procedimiento controlado y verificar la tensión residual.

24.23 Modelar el instrumento con JavaScript

Las mismas ecuaciones permiten anticipar el efecto de carga antes de realizar la medición:

function paralelo(a, b) {
  return (a * b) / (a + b);
}

function medirDivisor(vs, r1, r2, rv) {
  const ideal = vs * r2 / (r1 + r2);
  const r2Cargada = paralelo(r2, rv);
  const medida = vs * r2Cargada / (r1 + r2Cargada);
  return {
    ideal,
    medida,
    errorPorcentual: 100 * (medida - ideal) / ideal
  };
}

function medirCorriente(vs, carga, resistenciaAmperimetro) {
  const ideal = vs / carga;
  const medida = vs / (carga + resistenciaAmperimetro);
  return {
    ideal,
    medida,
    voltajeDeCarga: medida * resistenciaAmperimetro
  };
}

console.log(medirDivisor(12, 1e6, 1e6, 10e6));
console.log(medirCorriente(5, 100, 1));

24.24 Laboratorio: instrumentos reales

Elegí la magnitud y modificá el circuito o el instrumento. El laboratorio compara el valor sin instrumento con el valor que existe después de conectarlo.

24.25 Cómo interpretar el laboratorio

En voltaje, el medidor queda en paralelo con R₂ y reduce su valor efectivo. En corriente, R_A se suma en serie a la carga y reduce la corriente. En resistencia, los caminos paralelos reducen la lectura, mientras que los cables de una medición de dos hilos la aumentan.

El signo del error indica la dirección del cambio. Un error negativo significa que la lectura es menor que el valor de referencia; uno positivo, que es mayor. En el modo resistencia pueden coexistir efectos opuestos, por lo que el error total puede ocultar dos problemas diferentes.

24.26 Errores frecuentes

• Conectar el amperímetro en paralelo o medir voltaje con la punta roja en la borna de corriente.
• Medir resistencia o continuidad con el circuito energizado.
• Suponer que el valor mostrado es exacto porque posee muchos decimales.
• Ignorar la resistencia de entrada al medir nodos de alta impedancia.
• Medir un resistor dentro del circuito sin considerar caminos paralelos.
• No incluir la caída del amperímetro en circuitos de baja tensión.
• Usar un instrumento o puntas sin categoría y límites adecuados.
• Confundir una indicación negativa con una falla en vez de revisar la referencia.

24.27 Ejercicio propuesto

Un divisor de tensión alimentado con 9,0 V contiene R₁ = 470 kΩ y R₂ = 330 kΩ. Se mide el voltaje sobre R₂ con un multímetro cuya resistencia de entrada es 1,0 MΩ. En otro ensayo, la misma fuente alimenta una carga de 180 Ω y se inserta un amperímetro de resistencia interna 2,0 Ω.

1. Calculá el voltaje ideal del divisor.
2. Calculá R₂ ∥ R_V, el voltaje medido y el error de carga.
3. Calculá la corriente de la carga sin amperímetro.
4. Calculá la corriente indicada y el voltaje de carga del amperímetro.
5. Explicá cómo reducir cada perturbación sin modificar los circuitos estudiados.

24.28 Ideas clave

• Todo instrumento real interactúa con el circuito que mide.
• El voltímetro se conecta en paralelo y debe tener resistencia de entrada grande.
• El amperímetro se conecta en serie y debe introducir una resistencia pequeña.
• El óhmetro usa una fuente interna: el circuito debe estar desenergizado.
• Los caminos paralelos, cables y contactos pueden alterar una medición de resistencia.
• Resolución, exactitud y repetibilidad describen propiedades diferentes.
• Una lectura completa incluye unidad, signo, rango e incertidumbre.
• La seguridad depende también del entorno, las puntas, las bornas y el procedimiento.

En el próximo tema se analizará cómo los capacitores se cargan y descargan a través de resistencias, y cómo medir esos transitorios sin perturbaciones excesivas.