Este circuito amplía una escala en la región de la tensión monitoreada y comprime la misma escala en la región cercana a cero. Con ello, obtenemos mayor precisión en el mantenimiento de una tensión en una carga. El instrumento usado es un miliamperímetro común de bobina móvil y el aparato es ideal para monitoreo de la tensión de la red de 110 V o 220 V.
Uno de los problemas de los voltímetros comunes que utilizan un miliamperímetro de bobina móvil es su linealidad, que reduce la precisión en torno a una determinada tensión que debe ser fija.
Como lo que necesitamos en un caso de monitorización es una precisión mayor en torno al valor deseado, no importando el resto de la escala, una solución interesante para el problema es la utilización de un compresor de escala.
El circuito que presentamos "comprime" una escala en su extremo inferior, o sea, cerca de cero, posibilitando así una ampliación con mayor precisión en torno a un valor monitoreado.
Este circuito es ideal para el caso en que se desea mantener fija la tensión sobre una carga a partir de una red de alimentación de 110 V o 220 V.
Una de las aplicaciones posibles sería intercalarlo entre un estabilizador de tensión y la carga (figura 1), o simplemente cerca de la red para monitoreo.
Todos los componentes utilizados son comunes y el circuito sirve tanto para la red de110 V como 220 V.
Evidentemente, basado en los cálculos que daremos, usted podrá hacer las debidas modificaciones para operación en otras tensiones.
EL CIRCUITO
La idea básica de nuestro proyecto es utilizar un diodo zener para modificar la linealidad de respuesta de un instrumento, con una consiguiente alteración de su factor de escala.
El circuito básico se muestra en la figura 2, y consiste en un puente de medida en el que en uno de los brazos conectamos el dispositivo no lineal, que es el diodo zener.
Para este puente tenemos una indicación dada por:
Uo = k x Ue
Donde k es el factor de escala, Uo es la tensión sobre el instrumento y Ue la tensión de entrada.
En el punto de unión del zener con el instrumento (X) la tensión se mantiene inalterada, incluso cuando la tensión de entrada varía,
La resistencia R3, en serie con el zener, estabiliza la corriente en el circuito por motivos obvios.
En el punto Y de unión de los resistores R1 y R2 se ajusta la tensión de modo que se obtenga un cero en el instrumento con valores de entrada próximos a la tensión que se desea monitorear.
Con la variación de la tensión de entrada, la tensión en la unión de R1 y R2 variará de tal forma que tendremos una deflexión rápida del instrumento que llegará al final de escala.
Así, ajustando el punto de nulo en 90 V, para una red de 110 V tendremos una deflexión de final de escala con130 V o poco más.
La figura 3 muestra el punto de la curva característica del diodo zener en el que trabajamos.
Esta curva sirve de base para la determinación de los elementos empleados en nuestro circuito.
Como podemos ver, en una amplia gama de corrientes, de 10 a 50 mA, los valores se mantienen constantes.
Podemos entonces fijar el punto de operación en 5,6V y 2omA, lo que nos lleva a una disipación de:
P = 5,6 x 0,02 = 0,112
P = 112 mW
El diodo usado es de 400 mW, lo que está dentro de las especificaciones:
El cálculo de R3 para una tensión máxima de 130V, 5,6 V sobre el diodo zener y la corriente deseada de 20 mA, se obtiene por:
R3 = (Umáx - Uz) / Iz
R3 = (130 - 5,6) / 0,02
R3 = 62209
La disipación en este componente será dada por:
P = U xI
P = 124,4 x 0,02
P = 2,48 W
En el circuito final utilizaremos para este elemento un potenciómetro de ajuste de hilo de 10 k x 5 W, en serie con un resistor 1k.
El divisor de tensión formado por R1 y R2 debe también ser recorrido por una corriente de 20 mA.
Así, partimos inicialmente del hecho de que R2 debe tener en sus terminales la misma tensión del zener, o sea, 5,6 V.
Su valor será dado por:
R2 = Uz / I
R2 = 5,6 / 0,02
R2 = 280 ohms
La conexión de un resistor fijo de 100 ohms en serie con un trimpot de 220 ohms permite ajustar fácilmente el punto correcto de funcionamiento.
La disipación de estos elementos puede ser baja, pues:
P = 5,6 x 0,02
P = 0,112
P = 112 mW
Para R1 el valor es dado por:
R1 = [Ue (mín) - 5,6] / 0,02
R1 = (90 - 5,6) / 0,02
R1 = 84,4 / 0,02
R1 = 4 220 ohms
Su disipación será de:
P = 84,4 x 0,02
P = 1,68 W
Un potenciómetro de hilo de 10 k en serie con un resistor de 1 k permitirá el ajuste en el punto correcto.
Para calcular el resistor en serie con el instrumento (R4) debemos partir de la tensión máxima en el divisor.
Esta tensión se producirá cuando la tensión de entrada es de 130 V en nuestro caso:
U1 / U2 = 280/4 500
U1 / 13O = 280/4 500
U = 8,08 V
Así, la tensión en el miliamperímetro de 0-1 mA será de:
Un = 8,08 - 5,6
Un = 2,48 V
Para una corriente de 1mA de fondo de escala, esto representa una resistencia total de:
R4 = 2,48 / 0,001
R4 = 2 480 ohms
En la práctica usamos un trimpot de 4k7 en serie con un resistor de 1 k.
En este caso, la disipación será muy pequeña, como se puede calcular.
En posesión de todos los valores calculados podemos fácilmente partir hacia el circuito definitivo y el montaje
MONTAJE
En la figura 4 tenemos el diagrama completo del aparato.
En la figura 5 la placa de circuito impreso.
El capacitor C1 debe ser de poliéster con una tensión de trabajo de al menos 250 V si la red es de 110 V.
Si es de 220 V debe ser de al menos 450 V.
Los diodos del puente serán los 1N4004 o 1N4007 si la red es de 110 V.
Para la red de 220 V sólo podemos usar los 1N4007.
C2 es un electrolítico de alta tensión, de 250 V si la red es de 110 V y 450 V si a. red de 220 V.
Los demás componentes se calculan y se especifican en la parte correspondiente al funcionamiento y en la lista de materiales.
El miliamperímetro es del tipo de bobina móvil de 0-1 mA. Para otros fondos de escalas debemos proceder a nuevos cálculos para los componentes.
AJUSTE Y USO
Inicialmente, se coloca P4 en una posición que corresponda a aproximadamente la mitad de su curso, para que la corriente en D5 sea del orden de 20 mA.
Se aplica una tensión de 100 V en la entrada (la monitoria se puede hacer con un multímetro común en la escala de tensiones alternadas).
Esta aplicación se puede realizar con la ayuda de un transformador estabilizador de tensión manual.
Se ajusta inicialmente P4 para obtener una lectura nula en el instrumento M1.
Después, se aplica una tensión de 130 V en la entrada y se ajusta P3 para obtener la tensión de fondo de escala del instrumento.
P1 deberá ajustarse también a medio giro.
Un retoque se hace después, con la aplicación de 100 V en la entrada y ajuste de P1 y P2 para aproximadamente 5,6 V en la unión de P1 con P2.
Se dibuja en el instrumento, posteriormente, el punto de la escala correspondiente a los 110 V.
Comprobado el funcionamiento y hechos los ajustes, el aparato puede ser instalado definitivamente.
LISTA DE MATERIAL
D1 a D4 - 1N4004 o 1N4007 - diodos de silicio - ver el texto
D5 - BZX79C5V6 - diodo zener de 5V6 x 400 mW
M1 - 0-1 mA - instrumento de bobina móvil
F1 - 250 mA - fusible
C1 - 100 nF x 250 V - capacitor de poliéster
C2 - 16 uF X 250 V - capacitor electrolítico
P1, P4 - 10k x 5 W - potenciómetros de hilo
P2 - 220 ohms - trimpot
P3 - 4k7 - trimpot
Rl - 470 x 1 W - resistor (amarillo, violeta, negro)
R2 - 120 ohms x ½ W - resistor (marrón, rojo, marrón)
R3 - 1 k x 1/8 W - resistor (marrón, negro, rojo)
R4 - 1 k x 2 W - resistor (marrón, negro, rojo)
Varios: placa de circuito impreso, hilos, caja para montaje, soporte para fusible, soldadura, etc.