Ponga un amperímetro en su vida

Seguramente el título de este artículo es un poco exagerado. En realidad voy a dedicar este artículo a describir cómo se puede colocar un amperímetro en nuestra instalación, para comprobar en cada momento cuál es el consumo de la maqueta, concretamente me refiero al consumo del circuito de tracción, que será el producido por las locomotoras.

La verdad es que por lo que yo se, ninguna de las fuentes de alimentación que se venden para trenes en miniatura, (de cualquier escala) incluyen ni un voltímetro, ni tampoco un amperímetro, así que puede parecer un capricho exótico el pretender instalar uno. Supongo que la primera razón para ello es que se trata de un elemento relativamente caro, y también ese miedo que los fabricantes tienen a que un elemento que parezca técnicamente complicado ahuyente a muchos clientes que buscan la mayor sencillez. Sin embargo he visto fotografías en que muchos aficionados han colocado voltímetros y amperímetros en los cuadros de mando de sus maquetas, así que  yo quise poner uno en mi proyecto PWM09VD que fue descrito en el artículo Electrónica de diseño.

Me parece interesante conocer en cualquier momento la intensidad que está entregando la fuente de alimentación por varios motivos. El primero es vigilar que la fuente de alimentación no está siendo forzada, pero seguramente lo más importante es vigilar cual es el consumo de las locomotoras. Ya se ha comentado aquí que si el consumo de una locomotora de escala Z aumenta, es un síntoma claro de que algo va mal en la locomotora. Posiblemente necesita una buena limpieza, pero también se puede tratar de un problema mayor.

Por este motivo, y desde luego, por darle un aspecto más profesional, me decidí a poner el amperímetro que se ve en la imagen de cabecera, pero me costó mucho trabajo conseguir que funcionase, y al final hice una chapuza con una pila y un relé, tal como comenté en el artículo antes señalado. Naturalmente me dejó un mal sabor de boca haber tenido que recurrir a semejante ñapa, así que he seguido investigando cual sería la forma correcta de hacerlo, y como ya he llegado a una conclusión sobre el tema, voy describirlo en este artículo, cumpliendo así la promesa hecha en "Ya Funciona?"  .

Pero primero vamos con un poco de teoría. En la figura 1 vemos, reducido a lo fundamental el circuito de alimentación de cualquier dispositivo eléctrico, incluyendo una maqueta de trenes. En la parte de la izquierda tenemos la fuente de alimentación, esquematizada con una fuente ideal de tensión V1 y una resistencia Ri que representa la resistencia interna de la fuente. A la derecha, tenemos el elemento que consume la potencia suministrada por la fuente de alimentación, representado por  la resistencia RL



Figura 1

La fuente V1 proporciona constantemente una tensión V0, teóricamente con independencia de la intensidad que circula por el circuito. Sin embargo toda fuente real tiene una resistencia interna que representamos por Ri, de manera que cuando circula una corriente I1 por el circuito, se produce una caída de tensión en Ri de valor Ri x I1,así que, de cara al exterior, la tensión que aparece en las bornas de la fuente es Vf=V0-Ri x I1

Aclaro que Ri no es una resistencia que se ponga en la fuente a propósito, sino que representa un valor que resulta de la construcción de la fuente, de modo que el comportamiento real de la fuente es como si estuviese formada por una fuente de tensión ideal  de valor V0 y una resistencia de valor Ri

Por ejemplo, si V0 es 10 Voltios y R1=0,5 Ohm, cuando circula 1 Amperio por el circuito la tensión que dará la fuente es:

Vf = 10 - 0,5 x 1 = 9,5 Voltios.

Si circulan 2 amperios, será:

Vf = 10 - 0,5 x 2= 9 Voltios

Como vemos, según la fuente proporciona mayor intensidad, la tensión disminuye ligeramente. Tanto más cuanto mayor sea la resistencia Ri.  Será interesante que la resistencia interna Ri sea lo menor posible para que la tensión se mantenga lo más estable posible. El efecto de los circuitos estabilizadores de tensión se refleja en la disminución de la resistencia interna. de forma que la fuente mantenga la tensión con la menor caída posible dentro del margen de corriente para el que está prevista.

En una maqueta, como en cualquier otro circuito, la resistencia RL indica la carga en cada momento, representando por ejemplo los motores de las locomotoras, luces, etc. Por lo tanto, según aumenta o disminuye esta carga (según haya más o menos locomotoras, según si suben o bajan, según si llevan pocos o muchos vagones, etc) la intensidad I1 irá variando en cada momento. Pretendemos medir esta intensidad con un amperímetro que nos indique el valor de la intensidad, y que por lo tanto sea un reflejo de cómo está de cargado el circuito en cada momento.

Podemos situar un amperímetro para medir la corriente I1 y también un voltímetro para medir la tensión Vf. Esta última medida tiene menos interés ya que no debe haber variaciones significativas si la fuente está bien diseñada. La forma de conectar estos aparatos es la siguiente:




Figura 2

Nótese que el amperímetro está conectado de forma que le atraviesa toda la intensidad I1, es decir cortando el cable que va a la carga y situando el amperímetro uniendo los dos extremos cortados, mientras que el voltímetro se coloca en paralelo con los terminales de salida de la fuente. Esto coincide naturalmente con la forma en que conectamos un polímetro para medir la intensidad, o para medir la tensión.

Aquí surge un tema muy importante: el hecho de introducir un elemento para medir la intensidad o la tensión, no debería producir ninguna alteración en los valores que queremos medir, porque si influyese desvirtuaríamos totalmente la medición que queremos hacer (con permiso del señor Heisenberg y su principio de incertidumbre). Para conseguir esto, el amperímetro debe tener una resistencia cero o muy baja, de manera que no suponga un aumento de la carga RL de forma apreciable. Por el contrario, un voltímetro debe tener una resistencia infinita o al menos muy alta, de forma que no circule prácticamente ninguna corriente por su interior, ya que si lo hiciese, la fuente de alimentación debería suministrar ese extra de corriente que circularía por el voltímetro.

Hasta hace unos años, los voltímetros y amperímetros que estaban disponibles eran analógicos, del tipo clásico de aguja móvil, como el de la figura 3




Figura 3

El problema con estos aparatos es que cada uno de ellos ES un voltímetro o un amperímetro y además su escala tiene un rango fijo.(ambas cosas se ven al primer vistazo ya que el rango nos lo da la escala de lectura y la letra "A" o "V" indica claramente de qué se trata). Es como un polímetro cuando situamos las escalas para medir intensidad o corriente y para un determinado rango, pero aquí no podemos cambiarlo, o sea que si queremos otro rango hay que comprar otro aparato distinto. Así que los fabricantes tenían que fabricar una gran variedad de instrumentos distintos, cada uno de los cuales era un amperímetro o un voltímetro, y tenía un rango determinado. Por ejemplo el de la figura es un amperímetro de rango 0-3 Amperios (muy apropiado para una maqueta). Esto es un problema porque la gran diversidad de aparatos similares supone una dificultad para encontrar el necesario para cada caso. La ventaja es que cada uno de ellos viene ya internamente preparado, de modo que su resistencia es muy baja si es un amperímetro y muy alta si es un voltímetro y sólo tienen dos bornes, de manera que conectándolos directamente al circuito como en la figura 2 se obtiene directamente la lectura correcta.

Pero claro, estos aparatos de aguja móvil resultan un poco pasados de moda en la era digital, así que lo que normalmente queremos hacer es poner un voltímetro o amperímetro digital, al estilo del que se ve en la fotografía de la cabecera. Cuando uno va a los catálogos de componentes electrónicos a buscar uno de estos amperímetros o voltímetros del rango necesario, por ejemplo de 0 a 3 Amperios para el amperímetro (como lo es el de la figura 3) y por ejemplo de 0 a 10 Voltios para el voltímetro, no encuentra nada parecido. Realmente no se ofrecen como tales amperímetros o voltímetros sino como "instrumentos digitales de panel", y no sólo no se diferencian entre voltímetros o amperímetros sino que tampoco se diferencian por el rango. Los modelos que vemos en los catálogos, se diferencian por el tamaño, por ser de cristal líquido o de Led y en este caso por el color del led. Se les llama también visualizadores digitales e incluso displays aunque yo prefiero reservar la palabra display para cada uno de los elementos que muestran cada uno de los números de estos visualizadores.

Está claro que los fabricantes han tratado de evitar caer en el mismo error que con los analógicos y tener que fabricar un montón de variedades distintas según la función y el rango. En lugar eso ceden amablemente esta responsabilidad al usuario.

Por ejemplo, copio aquí las características del modelo PMLED de Velleman obtenidas de la página de este producto en la web de Velleman (es el que vemos en la fotografía de cabecera)

Especificaciones

• display: LED de 3 1/2 dígitos
• sensibilidad de entrada: 200mV FS
• alimentación: 9Vdc
• selección de punto decimal: con cables de puente
• indicación automática de polaridad
• altura de los dígitos: 14mm (0.56")
• frecuencia de muestreo: 2 - 3 lecturas / segundo
• visualización de cero garantizada para la entrada de 0V
• alta impedancia de entrada: > 100Mohm
• precisión: ± 0.5%
• consumo: 50 - 60mA
• dimensiones: 68 x 44mm

Se supone que hay que saber interpretar estas especificaciones, así que voy a tratar de aclarar algunos puntos: La primera linea informa que es un instrumento tipo led, es decir, con luz propia, en este caso roja, y que muestra tres cifras del valor que está leyendo. La indicación 3 1/2 dígitos indica que hay tres dígitos con las cifras y uno más que puede mostrar un uno y/o un signo menos si el valor es negativo. En total cuatro displays de siete sementos, que es como se llaman estos elementos.

O sea que como el primer dígito de la izquierda, solo puede estar apagado o presentar un uno, pero no un dos,  el valor mas alto que se puede leer es :

La segunda línea dice: Sensibilidad 200 mv FS o sea 200 mV a fondo de escala. Quiere decir que el valor máximo que puede indicar el aparato corresponde a la situación en que en los terminales de entrada le conectemos 200 mV. Asi que ese valor que podemos ver en el display como 1999 quiere decir realmente 199,9 milivoltios, es decir, prácticamente 200 milivoltios

En definitiva: Primero: que esto es un voltímetro. Segundo: que su rango es 0 a 200 mV. ¡Acabáramos! . Para mayor confirmación, vemos que la impedancia de entrada es mayor que 100 M Ohm, es decir, muy alta como corresponde a un voltímerto decente.

Se puede uno preguntar ¿Y porqué no hacer que el primer dígito pueda representar cualquier valor, de modo que puedan leerse valores hasta 9999?  La razón es que ese primer dígito puede representar también un signo negativo encendiendo el segmento central horizontal, de manera que con un sólo display podemos representar 1 y -1.  Como el 2 ya necesita ese segmento para representar el número habría que poner un quinto display sólo para el signo, lo que encarecería el aparato.

Bien pues está claro lo que tenemos, pero también está claro que queremos otra cosa. Empecemos por lo fácil: Voy a suponer que quiero utilizar este voltímetro para medir la tensión de salida Vf de la fuente de alimentación de mi maqueta, tal como está dibujado en la figura 2. Sabemos que esta tensión es del orden de 9 voltios (digamos que varía como mucho entre 7 y 12) así que si este aparato lee solo hasta 200 mV no podemos conectarlo directamente. Si lo hiciésemos daría una indicación de sobrecarga y hay peligro de estropearlo.

La forma de hacer esto es conseguir generar una tensión proporcional a la que queremos medir pero dentro del rango 0 a 200 mV. Esto se consigue con dos resistencias de la forma siguiente:



Figura 4

En los contactos de salida de la fuente, donde aparece la tensión Vf que queremos medir, hemos situado dos resistencias en serie, Ra y Rb, y conectamos el voltímetro en la primera de ellas, de manera que mida la caída de tensión en la resistencia Ra. Nótese que la caída de tensión en la resistencia Ra más la caída de tensión en Rb, es decir la suma Va + Vb  es igual a la tensión Vf que queremos medir. Por ejemplo, si Ra = Rb será Vb = Va y por lo tanto Vb será la mitad de Vf. Así que si por ejemplo Vf es 9,5 Voltios la tensión que aparece en los terminales del voltímetro es 4,75 Voltios. Todavía por encima de los 200 mV (0,2 V) admisibles por el aparato.

Si hacemos que Ra sea la décima parte, o la centésima parte de Rb, la tensión en el voltímetro será (mas o menos) la décima, o la centésima, de Vf. Digo más o menos porque realmente Ra debe ser la décima, centésima, etc del total Ra + Rb para que la tensión Vb sea exactamente la décima centésima etc de Vf

Pero no basta con dos resistencias cualesquiera que sean una de otra diez o cien veces mayor. Es necesario que el conjunto de las dos resistencias y el voltímetro se siga comportando como un voltímetro decente, así que el valor total Rb + Ra debe tener un valor muy alto.

Por ejemplo si Rb=9900 KOhm (9.9 MegaOhm)  y Ra=100 KOhm la suma es 10000 KOhm y por lo tanto Ra es la centésima parte del total Ra+Rb.

Si Vf es 9,5 Voltios, por la ley de Ohm, por la rama Ra + Rb circulará una corriente de :

I=Vf  / ( Ra+Rb)   = 9,5 / 10000 = 0,00095 Miliamperios

Estos 0,00095 miliamperios producirán una caída de tensión en la resistencia Ra,  de valor:

Va= I x Ra =0,00095 x 100000 = 95 Milivoltios

¡Al fin un valor comprendido entre 0 y 200 milivoltios, o sea un valor representable por el dispositivo!

La moraleja de esto es que necesitamos parejas de resistencias que sumen 10000 K (10 MegaOhm) y tal que una sea una décima, centésima milésima etc de la suma de ambas. Por ejemplo para medir tensiones en el rango de 0 a 200 voltios hay que poner Ra=10 K y Rb = 9,99 M.

Pero ¿de dónde saco una resistencia de 9,99 MOhm? no es ni mucho menos un valor estándar. Afortunadamente, al menos en este caso, los amables señores de Velleman incluyen un juego de resistencias para permitir realizar esos divisores de tensión. Se trata de resistencias de película metálica y de alta precisión. El propio dispositivo PMLED tiene previsto un lugar donde soldar estas resistencias para crear el divisor de tensión, según el rango de tensiones que vayamos a medir.

Así que con el divisor de tensión que hemos montado, si conectamos la tensión de 9,5 Voltios, al medidor le llegan 95 Milivoltios y lo que veremos en el display es:

Pero nosotros no queremos leer novecientos cincuenta, queremos leer nueve coma cinco. La forma de conseguir esto es hacer que aparezca un punto decimal entre el nueve y el cinco y eso se consigue (otra vez manualmente) soldando un puente entre dos puntos del circuito impreso del dispositivo.

Adviertase que para cada par de resistencias, el rango de tensiones se multiplica o divide por diez, de modo que para cada par de resistencias la posición del punto es fija, así que puede dejarse fija mediante el mencionado puente. Entonces se verá así, y leeremos correctamente 9,5 Voltios

Realmente el aparato está leyendo 95 milivoltios, pero no sabe que nosotros hemos falseado la cantidad dividiéndola por cien, así que somos nosotros los que tenemos que forzar la aparición del punto en la posición correcta para leer 9,5 Voltios.

Si realmente tenemos que medir tensiones en el rango 0-200 milivoltios, el valor de Ra debe ser infinito y el de Rb debe ser cero. Eso es equivalente a dejar sin poner la resistencia Ra y poner un puente en lugar de Rb. Así es como viene de fábrica el dispositivo.

Adviértase que con este único dispositivo podemos montar un voltímetro para una gran variedad de rangos, desde 0 a 0,2 Voltios hasta 0 a 200 Voltios y más. Realmente, como el voltímetro lee también tensiones negativas tenemos rangos entre -0,2 a  + 0,2    hasta  -200  a  +200.   (con Ra=1K se podría llegar a 2000 Voltios, pero esta tensión es muy alta para el aislamiento de los circuitos electrónicos por lo que el fabricante recomienda no pasar de 500 Voltios)

El voltímetro que construimos, si consideramos que las resistencias pasan a formar parte del voltímetro, continúa teniendo una gran resistencia interna, del orden de los 10 Megahomios, y por lo tanto continua siendo un buen voltímetro. Hemos calculado que la corriente que circula por la rama del voltímetro con una tensión de 9,5 Voltios en la fuente es de sólo 0,00095 miliamperios frente a los dos o tres amperios que genera la fuente, luego la perturbación introducida en el circuito es despreciable.

Bueno, pues hemos conseguido poner en nuestro circuito un voltímetro que señala en cada momento la tensión producida por la fuente de alimentación. Como ya he comentado el propio circuito del dispositivo tiene previsto un lugar para soldar las resistencias Ra y Rb y además se suministra un juego de resistencias para poder conseguir varios rangos de medición. Además las instrucciones indican cuales deben ser esas resistencias para cada rango de medida, aunque estas instrucciones son un tanto confusas y sobre todo la traducción al español, resulta ininteligible (me refiero por supuesto al  instrumento de Velleman)

Pero esto era lo fácil, porque ahora lo que queremos es utilizar este aparato, que como sabemos tiene una gran resistencia interna, para visualizar la intensidad que circula por el circuito, haciendo la función de un amperímetro, aparato que como sabemos debería tener un resistencia interna bajísima.

En primer lugar, a diferencia del caso anterior, ni se suministra ninguna resistencia adicional, ni el circuito del aparato tiene previsto ningún lugar para situar la resistencia adicional que se necesita, ni aparecen instrucciones relativas a este caso, ni nada parecido. Solamente se menciona que el dispositivo puede utilizarse como amperímetro.

El truco es similar al anterior, pero ahora lo que ponemos en el circuito es una resistencia en serie, y conectamos el dispositivo para leer la caída de tensión en ella cuando circula la corriente. El esquema queda como sigue:

Figura 5

Nótese que el dispositivo, a pesar de que le he puesto una A de amperímetro, está en realidad midiendo la caida de tensión Vs que se genera en la resistencia Rs al paso de la corriente a medir, I1.  En definitiva está midiendo la tensión entre los extremos de la resistencia, y por lo tanto realmente funciona como voltímetro.

Esta resistencia, que en los tratados de electrotecnia se denomina Shunt, se escoge con un valor muy bajo, de forma que su influencia sea despreciable respecto de las otras resistencias del circuito RL y Ri.

Por ejemplo un valor adecuado para RS es 0,1 Ohm. Si por el circuito circulan por ejemplo 1,8 Amperios, la caida de tensión en la resistencia Rs será

Vs=I1 x Rs = 1,8 x 0,1 = 0,18 Voltios = 180 milivoltios.

!Aleluya! de nuevo un valor de tensión en el rango 0 - 200 mV que es el adecuado para nuestro aparato, así que como le llegan 180 milivoltios el display mostrará la cifra:

De nuevo, tendremos nosotros que saber que la cifra está multiplicada por 100, de manera que hay que poner el puente correspondiente para que la lectura sea:

Y leamos directamente que por el circuito pasan 1, 8 Amperios. En la imagen de cabecera el amperímetro está configurado así y muestra una lectura de 0.038 amperios o 38 miliamperios.

Por supuesto el valor de la resistencia  Rs debe escogerse de forma apropiada para que el valor reflejado en el visor sea proporcional, con un múltiplo de 10 a la intensidad a medir.

Quiero decir que yo puedo poner una resistencia de por ejemplo 1 Ohm, pero entonces la caída de tensión en esa resistencia será de 1,8 voltios. Si pongo en el voltímetro las resistencias oportunas se podrá usar el rango 0- 2 voltios para leer ese valor. Sin embargo hay un problema: la caída de tensión en la resistencia de 1 Omio es de 1,8 Voltios, así que si la fuente está proporcionando 9,5 Voltios se pierden 1,8 en la resistencia, y llegan solo 7,7 voltios a la carga, con lo cual hemos estropeado por completo la regulación de la fuente de alimentación. Además esa caída de 1,8 voltios en la resistencia con una intensidad de 1,8 Amperios produce una disipación de 3,24 Watios, o sea que esa resistencia se va a calentar bastante y desde luego no puede ser una resistencia ordinaria de 1/4 de watio.

En resumen que la resistencia de Shunt debe ser bajísima, todo lo baja que podamos conseguir y que nos proporcione una caída de tensión medible. Para un caso como este, si no vamos a pasar de 2 Amp es muy apropiada una resistencia de 0,1 Ohm.

El problema vuelve a ser la disponibilidad de resistencias de tan bajo valor. La mayoría de las series de resistencias, de potencias de 2 watios y menores tienen como valor más bajo 1 Ohmio. Esto es lo que me pasó cuando construí el equipo mostrado en la fotografía de portada, así que tuve que poner una resistencia de 1 Ohm y 2 Watios. Pero claro, si hubiese puesto el ampertímetro a la salida de la fuente, se habrían perdido un voltio por cada amperio según lo explicado antes, de manera que para el caso de varias locomotoras con consumo total próximo a 2 Amperios, si la fuente generaba 9 Voltios a la vía llegarían 7 Voltios: Inadmisible.

Así que lo que hice fué situar la resistencia de Shunt por delante de la fuente y no a la salida, de manera que el amperímetro lo que en realidad lee es el consumo de la fuente. Por supuesto cuando hay locomotoras en marcha, casi todo el consumo de la fuente se emplea en enviar corriente a la vía, por lo que el valor indicado por el amperímetro es bastante cercano al consumo de las locomotoras, pero siempre ese valor está algo incrementado por el consumo interno de la propia fuente, incluyendo los leds de señalización etc. Este es el motivo de que en la fotografía de la cabecera se lea un consumo de 38 miliamperios cuando no hay trenes conectados a este controlador.

Posteriormente he localizado resistencias de 0,1 Ohm. Se trata de resistencias bobinadas de 4 Watios de potencia que pueden comprarse aquí: Diotronic  En el artículo "Ya funciona?" se puede ver una de estas resistencias montada en el circuito de tracción de mi sistema. Con ella podré medir realmente el consumo total de las locomotoras. De hecho en la primera fotografía de ese artículo se puede ver un amperímetro conectado a esta resistencia como shunt, en pleno funcionamiento.

A lo mejor, el paciente lector que haya tenido la paciencia de llegar hasta aquí, está pensando que ya está todo resuelto, puesto que ya ha quedado más o menos clara la forma de conectar un amperímetro a la fuente de alimentación para que nos indique el consumo de corriente de la maqueta en cada momento. Lamento comunicar que no es así: De hecho falta todavía un tema que es todavía más complicado de resolver que todo lo expuesto hasta aquí.

El problema viene de lo siguiente: El dispositivo de visualización requiere energía para su funcionamiento. En los instrumentos analógicos que mencionábamos antes, la energía, se toma del propio circuito que están midiendo, y naturalmente eso supone alterar la magnitud que queremos medir.

Sin embargo en los instrumentos digitales existe una entrada adicional para conectar una alimentación. En la lista de especificaciones del PMLED que antes reproducía, vemos que se indica que se requiere una alimentación de 9 Voltios y que este dispositivo tiene un consumo de 50 - 60 Miliamperios. Bueno, después de todo es lógico ya que se trata de un circuito electrónico que necesita su alimentación y además los leds tienen un cierto consumo de corriente.

La tentación inmediata es que si uno dispone de una tensión de 9 Voltios o superior en su controlador, poner un regulador de tensión con salida de 9 Voltios y llevar esta alimentación al visualizador. Bueno, pues no vale. Si hacemos esto, la masa es común entre el resto del circuito y el visualizador y ésto no solamente hace que no funcione el visualizador sino incluso que se destruya (y hablo por experiencia propia) Las instrucciones recomiendan que el visualizador se alimente desde una pila de 9 Voltios, ya que de esa forma esta alimentación queda completamente aislada del resto del circuito.

Pero claro, poner una pila, aparte de parecer algo primitivo tiene dos inconvenientes: En primer lugar la pila se gasta, y bastante rápidamente si como es habitual hacemos funcionar la maqueta en sesiones que duran horas. En segundo lugar, si no hacemos nada, la pila queda conectada permanentemente con lo cual el display se queda encendido incluso con la instalación apagada. Como ya comenté, cuando construí el PWM09VD, y me encontré este problema acabé poniendo efectivamente una pila, pero puse además un relé que conectaba y desconectaba la pila al encender el aparato. Me parece una solución totalmente rocambolesca.

Pero claro, la solución no es ni mucho menos fácil. Si tenemos que tener una alimentación aislada, dicho con mayor propiedad, galvánicamente aislada, la única solución que yo conozco es partir de un transformador propio, o bién de un transformador con más de un bobinado, y utilizar uno de los bobinados para el visualizador con el correspondiente rectificador, estabilizador etc y el otro bobinado o el otro transformador para el resto del controlador. Pero claro, eso todavía podía hacerse con cierta complicación hace años, cuando normalmente se situaban los transformadores dentro de los equipos, pero ahora que la tendencia (y hasta la legislación) imponen que se utilicen alimentadores de red conectados en el enchufe, lo que llega a un aparato como PWM09VD es directamente una corriente ya de tensión reducida y ya rectificada. No sería de recibo que un aparato así tuviese que ser conectado a la red eléctrica mediante DOS alimentadores de red, solo para resolver el tema de la alimentación del amperímetro.

Y en estas estaba cuando trasteando por la red, descubrí que existe un tipo de componente electrónico que resuelve el problema. Se llaman Convertidores DC /DC. Su función, para decirlo corto, es como un transformador, pero para corriente continua. Es decir tienen dos terminales de entrada que conectamos  una tensión continua, y tienen otros dos terminales de salida en los que aparece otra tensión continua de distinto valor, y además la entrada y la salida están aisladas. La tensión de salida puede ser mayor o menor que la de entrada. Debo decir que no tengo ni idea de cual es el fundamento tecnológico de estos dispositivos, y me gustaría saberlo. La especificación de uno de estos componentes define la tensión de entrada, la de salida y la potencia de transferencia admisible.
Donde yo lo encontré es en esta web: Raisertronic que parece especializada en el tema de visualizadores digitales de panel.

 

Luego, sabiendo ya lo que hay que buscar, he podido localizar muchos más de estos elementos aunque me temo que no son muy habituales en tiendas de electrónica.

 

Raisertronic vende incluso fuentes de alimentación aisladas especificamente preparadas para alimentar los visualizadores digitales.

Aunque todavía no lo he probado, no tengo duda de que esta es la solución definitiva para alimentar uno o varios visualizadores digitales que puedo conectar a estos dispositivos cuya salida produce 9V de corriente continua, a partir de una entrada de 5 V de corriente continua, manteniendo la separación entre ambos circuitos.

En definitiva, puedo poner voltímetros o amperímetros en los circuitos que quiera para controlar el funcionamiento de la maqueta, pero está claro que la cosa no ha sido fácil, porque me ha costado bastante investigación llegar a aclarar todos estos problemas, y además se requieren una serie de componentes poco habituales que me ha costado localizar. Espero que si alguno de los lectores de este artículo quiere poner un amperímetro en su vida, su lectura le facilite la tarea.

Antes de dar por terminado el tema, quiero añadir una postdata: Todo lo que se ha dicho corresponde a tensiones y corrientes continuas. ¿qué pasa si la fuente que queremos controlar produce un forma de onda distinta, concretamente en el caso de la corriente pulsada PWM que es la que realmente genera este controlador?

Supongamos que la  tensión de salida es una función periódica, con una frecuencia por encima de unas decenas de hertzios, incluso hasta miles de herzios. En ese caso, suponiendo que la carga RL es puramente resistiva, la intensidad I1 en el circuito, que deseamos medir, adoptará una forma de onda análoga a la de la tensión. Realmente un motor como sería en este caso el de una locomotora, no es una carga resistiva, pero la forma de onda de la intensidad será también de la misma forma aunque con un cierto desfase. En definitiva la intensidad a medir será también una función periódica de la misma forma que la tensión.

Supongamos que tenemos un amperímetro analógico del tipo de aguja móvil como el de la figura 3. La fuerza que mueve la aguja es proporcional a la intensidad, y por lo tanto será una fuerza pulsante, que debería hacer que la aguja subiese y bajase al ritmo de la variación de la intensidad. Sin embargo, debido a la inercia de la propia aguja y su sistema de suspensión, la aguja no se puede mover a un ritmo tan alto, así que se estabiliza en un punto a medio camino entre lo que correspondería al valor máximo y al mínimo. La aguja se pondría en ese mismo punto con una corriente continua constante de un valor que sería el correpondiente al punto que marca la aguja.

En el artículo PWM I dibujábamos las formas de onda de una corriente PWM con varios valores de proporción entre el ancho de pulso y el periodo de la onda. En esos dibujos poníamos en verde una línea marcando la tensión continua equivalente. La intensidad correspondiente a esa tensión equivalente sería exactamente lo que marcaría el amperímetro. Adviértase que en caso del amperímetro analógico, es la inercia de la parte móvil (aguja, etc) la que estabiliza la lectura en un valor que corresponde al valor de la corriente continua equivalente.

En el caso del visualizador digital, el tema es completamente distinto. En un sistema electrónico no hay nada parecido a la inercia, así que en principio no habría nada que impidiese que el valor visualizado fuera variando en cada instante siguiendo la forma de onda de la corriente. (Para frecuencias muy altas habría que tener en cuenta efectos inductivos y capacitivos que harían dificil que se cumpliese exactamente esa variación instantánea)  En todo caso, aún para frecuencias bajas, la velocidad con la que cambiaría la visualización de los valores en los displays, sería tan alta que se confundirían unas lecturas con otras en nuestros ojos y no veríamos claramente ninguno de los números*.

Así que si no hacemos nada, la visualización de los valores en el display cambiaría tan rápidamente que no se podría leer nada.

Lo que se hace en este caso, es que los circuitos que controlan estos visualizadores, presentan un determinado valor y lo mantienen un cierto tiempo invariable, hasta que presentan un nuevo valor. En las especificaciones del visualizador se dice: "Frecuencia de muestreo: 2 - 3 lecturas / segundo" Esto se refiere a esta propiedad, así que en este caso, una vez que se visualiza un valor, permanece invariable hasta que no pasan dos o tres segundos y entonces se muestra el siguiente valor.

Cabria aquí una cuestión: La palabra muestreo parece indicar que lo que se hace es leer el valor en un instante determinado, después esperar un tiempo de 2 a 3 segundos y leer el valor instantáneo en ese segundo momento. Lo que haya pasado entre ambos instantes resulta ignorado. Yo creo que lo que se hace realmente es que cada visualización presenta el valor medio entre un instante y el siguiente. Si tengo razón, en el caso de la señal PWM el valor mostrado será también el valor medio de la corriente, lo mismo que en el caso del amperímetro analógico.

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*  Como una curiosidad: a semejanza de lo ocurre en el cine y el la televisión, la persistencia de imágenes en nuestra retina se utliza en los visualizadores digitales como el que estamos utilizando en nuestro amperímetro: En muchos casos en estos visualizadores, en un instante determinado sólo está iluminada una de las cifras. En una fracción de segundo esa cifra se apaga y se ilumina la siguiente y así sucesivamente, de manera que nosotros vemos encendidas todas las cifras de forma continua, pero esto es así solo por este efecto fisiológico de nuestra visión. De esta forma se necesita un único circuito para convertir un código digital en una imagen en el display. Este circuito se utiliza sucesivamente para cada cifra, lo cual es mucho más barato que poner un circuito convertidor para cad cifra.