Cómo medir la corriente con un osciloscopio

Medir la corriente es una tarea simple: todo lo que necesita hacer es conectar un multímetro al circuito que desea medir y el medidor le dará un valor limpio para usar. A veces, realmente no puedes 'abrir' el circuito para poner un multímetro en serie con lo que quieres medir. Esto también se resuelve de manera bastante simple: solo necesita medir el voltaje a través de una resistencia conocida en el circuito; la corriente entonces es simplemente el voltaje dividido por la resistencia (de la ley de Ohm).

Las cosas se complican un poco cuando quieres medir señales cambiantes. Esto está a merced de la frecuencia de actualización (número de muestras por segundo) del multímetro, y el ser humano promedio solo puede comprender tantos cambios en una pantalla por segundo. La medición de CA se vuelve un poco más simple si su multímetro tiene una medición de voltaje RMS (el voltaje RMS es el voltaje de una señal de CA que transmitiría la misma cantidad de energía que produciría una fuente de CC de ese voltaje). Esto está estrictamente limitado a señales periódicas (las ondas cuadradas y similares están estrictamente fuera de discusión a menos que la medida RMS sea "verdadera", incluso entonces, no hay garantías sobre la precisión de la medida). La mayoría de los multímetros también tienen un filtro de paso bajo, lo que evita la medición de CA por encima de unos pocos cientos de hercios.

Cómo utilizar el osciloscopio para medir la corriente

El osciloscopio llena el espacio entre la percepción humana y los valores estables de un multímetro: muestra una especie de 'gráfico' de voltaje-tiempo de una señal, que permite una mejor visualización de las señales cambiantes en comparación con un conjunto de números cambiantes en un multímetro.

También es posible medir señales con frecuencias de hasta varios gigahercios, con el equipo adecuado. Sin embargo, el osciloscopio es un dispositivo de medición de voltaje de alta impedancia; no puede medir corrientes como tal. El uso de un osciloscopio para medir corrientes requiere convertir una corriente en voltaje, y esto se puede hacer de varias maneras.

1. Usando una resistencia de derivación

Esta es quizás la forma más sencilla de medir la corriente y se discutirá aquí en detalle.

El convertidor de corriente a voltaje aquí es la humilde resistencia.

El conocimiento básico nos dice que el voltaje a través de una resistencia es proporcional a la corriente que fluye a través de ella. Esto se puede resumir con la ley de Ohm:

V = IR

Donde V es el voltaje a través de la resistencia, I es la corriente a través de la resistencia y R es la resistencia de la resistencia, todo en sus respectivas unidades.

El truco aquí es usar un valor de resistencia que no afecte al circuito general que se está midiendo, ya que la caída de voltaje a través de la resistencia de derivación hace que se caiga menos voltaje a través del circuito en el que se coloca. una resistencia que es mucho más pequeña que la resistencia / impedancia del circuito que se mide (diez veces menos en un buen punto de partida) para evitar que la corriente en el circuito que se mide sea influenciada por la derivación.

Por ejemplo, el transformador y el MOSFET en un convertidor CC-CC pueden tener una resistencia total (CC) de decenas de miliohmios, colocar una resistencia grande (digamos) de 1Ω provocaría que la mayor parte del voltaje cayera a través de la derivación (recuerde que para resistencias en serie, la relación de voltaje caído a través de las resistencias es la relación de sus resistencias) y, por lo tanto, una mayor pérdida de potencia. La resistencia simplemente convierte la corriente en un voltaje para medir, por lo que la potencia no hace ningún trabajo útil. Al mismo tiempo, una pequeña resistencia (1 mΩ) dejaría caer solo un voltaje pequeño (pero medible) a través de ella, dejando que el resto del voltaje haga un trabajo útil.

Ahora, habiendo seleccionado un valor de resistencia, puede conectar la tierra de la sonda a la tierra del circuito y la punta de la sonda a la resistencia de derivación, como se muestra en la figura siguiente.

Hay algunos trucos interesantes que puedes usar aquí.

Suponiendo que su derivación tiene una resistencia de 100 mΩ, entonces una corriente de 1 A daría como resultado una caída de voltaje de 100 mV, lo que nos da una 'sensibilidad' de 100 mV por amperio. Esto no debería causar problemas si tiene cuidado, pero muchas veces los 100 mV se toman literalmente, en otras palabras, se confunden con 100 mA.

Este problema puede superarse estableciendo la configuración de entrada en 100X; la sonda ya se atenúa 10X, por lo que agregar otros 10X a la señal la devuelve a 1V por amperio, es decir, la entrada se 'multiplica' por 10. La mayoría de los osciloscopios vienen con esta característica de poder seleccionar la atenuación de entrada. Sin embargo, puede haber ámbitos que solo admitan 1X y 10X.

Otra pequeña característica útil es poder configurar las unidades verticales que se muestran en la pantalla: la V se puede cambiar a A, W y U, entre otras.

Las cosas se complican cuando no se puede colocar el lado bajo de la derivación. La tierra del osciloscopio está conectada directamente a la tierra, por lo que suponiendo que su fuente de alimentación también esté conectada a tierra, conectar el clip de tierra de la sonda a cualquier punto aleatorio del circuito acortará ese punto a tierra.

Esto se puede prevenir haciendo algo llamado medición diferencial.

La mayoría de los osciloscopios tienen una función matemática, que se puede utilizar para realizar operaciones matemáticas en las formas de onda mostradas. Tenga en cuenta que esto no cambia la señal real de ninguna manera.

La función que usaremos aquí es la función de sustracción, que muestra la diferencia de dos formas de onda seleccionadas.

Dado que el voltaje es simplemente la diferencia de potencial entre dos puntos, podemos enganchar una sonda a cada punto y conectar los clips de tierra a la tierra del circuito como se muestra en la figura.

Al mostrar la diferencia entre las dos señales, podemos determinar la corriente.

El mismo truco de 'atenuación' utilizado anteriormente se aplica aquí también, solo recuerde cambiar ambos canales.

Desventajas de usar una resistencia de derivación:

Existen algunas desventajas al usar una resistencia de derivación. La primera es la tolerancia, que puede llegar al 5%. Esto es algo que debe tenerse en cuenta con cierta dificultad.

El segundo es el coeficiente de temperatura. La resistencia de las resistencias aumenta con la temperatura, lo que resulta en una caída de voltaje mayor para una corriente dada. Esto es particularmente malo con resistencias de derivación de alta corriente.

2. Usando una sonda de corriente

Las sondas de corriente confeccionadas (llamadas 'pinzas de corriente'; se sujetan a los cables sin interrumpir los circuitos) están disponibles en el mercado, pero no se ven muchos aficionados que las utilicen debido a su costo prohibitivo.

Estas sondas utilizan uno de dos métodos.

El primer método es el uso de una bobina enrollada alrededor de un núcleo de ferrita semicircular. La corriente en el cable, la sonda se ha sujetado, genera un campo magnético en la ferrita. Esto a su vez induce un voltaje en la bobina. El voltaje es proporcional a la tasa de cambio de la corriente. Un integrador 'integra' la forma de onda y produce una salida que es proporcional a la corriente. La escala de salida suele estar entre 1 mV y 1 V por amperio.

El segundo método utiliza un sensor Hall intercalado entre dos semicírculos de ferrita. El sensor Hall produce un voltaje que es proporcional a la corriente.

3. Un método rápido y sucio

Este método no requiere componentes adicionales que no sean un osciloscopio y una sonda.

Este método es muy parecido al uso de una sonda de corriente. Enrolle el cable de tierra de la sonda alrededor del cable que transporta la corriente a medir y luego conecte el clip de tierra a la punta de la sonda.

El voltaje producido es nuevamente proporcional a la tasa de cambio de la corriente, y debe realizar algunos cálculos matemáticos en la forma de onda (es decir, integración; la mayoría de los osciloscopios lo tienen en el menú 'matemático') para interpretarlo como una corriente.

Hablando eléctricamente, la sonda en corto básicamente forma un lazo de alambre que actúa como un transformador de corriente, como se muestra en la figura.

Conclusión

Existen varios métodos para medir las formas de onda de corriente cambiantes utilizando un osciloscopio. La más simple es usar una derivación de corriente y medir el voltaje a través de ella.