Voltímetros e amperímetros CA

Os movimentos do medidor eletromecânico CA vêm em dois arranjos básicos:aqueles baseados em projetos de movimento CC e aqueles projetados especificamente para uso em CA.

Os movimentos do medidor da bobina móvel de ímã permanente (PMMC) não funcionarão corretamente se estiverem diretamente conectados à corrente alternada, porque a direção do movimento da agulha mudará a cada meio ciclo da CA. (Figura abaixo)

Os movimentos do medidor de ímã permanente, como os motores de ímã permanente, são dispositivos cujo movimento depende da polaridade da tensão aplicada (ou, você pode pensar nisso em termos da direção da corrente).

Passar CA por este movimento do medidor D'Arsonval causa vibração inútil da agulha.



Para usar um movimento de medidor estilo DC, como o design D'Arsonval, a corrente alternada deve ser retificada em DC.

Isso é mais facilmente realizado com o uso de dispositivos chamados diodos . Vimos diodos usados ​​em um circuito de exemplo demonstrando a criação de frequências harmônicas a partir de uma onda senoidal distorcida (ou retificada). Sem entrar em detalhes elaborados sobre como e por que os diodos funcionam da maneira que funcionam, apenas lembre-se de que cada um deles age como uma válvula unidirecional para que a corrente flua.

A ponta de seta em cada símbolo de diodo aponta na direção permitida do fluxo de corrente.

Dispostos em uma ponte, quatro diodos servirão para orientar AC através do movimento do medidor em uma direção constante ao longo de todas as partes do ciclo AC:

Passar CA por este movimento do medidor CA retificado irá conduzi-lo em uma direção.



Outra estratégia para um movimento prático do medidor AC é redesenhar o movimento sem a sensibilidade de polaridade inerente dos tipos DC.

Isso significa evitar o uso de ímãs permanentes. Provavelmente, o projeto mais simples é usar uma palheta de ferro não magnetizada para mover a agulha contra a tensão da mola, a palheta sendo atraída em direção a uma bobina estacionária de fio energizada pela quantidade de CA a ser medida como na figura abaixo.

Movimento eletromecânico do medidor com palheta de ferro.



A atração eletrostática entre duas placas de metal separadas por um entreferro é um mecanismo alternativo para gerar uma força de movimento da agulha proporcional à tensão aplicada.

Isso funciona tão bem para AC quanto para DC, ou devo dizer, tão mal quanto! As forças envolvidas são muito pequenas, muito menores do que a atração magnética entre uma bobina energizada e uma palheta de ferro e, como tal, esses movimentos “eletrostáticos” do medidor tendem a ser frágeis e facilmente perturbados pelo movimento físico.

Mas, para algumas aplicações CA de alta tensão, o movimento eletrostático é uma tecnologia elegante.

Se nada mais, esta tecnologia possui a vantagem de uma impedância de entrada extremamente alta, o que significa que nenhuma corrente precisa ser retirada do circuito em teste. Além disso, os movimentos do medidor eletrostático são capazes de medir tensões muito altas sem a necessidade de resistores de faixa ou outro aparelho externo.

Quando um movimento de medidor sensível precisa ser reajustado para funcionar como um voltímetro CA, resistores "multiplicadores" conectados em série e / ou divisores de tensão resistivos podem ser empregados, assim como no projeto de medidor CC:(Figura abaixo)

Multiplicador resistor (a) ou divisor resistivo (b) dimensiona o alcance do movimento básico do medidor.



Capacitores podem ser usados ​​em vez de resistores, no entanto, para fazer circuitos divisores de voltímetro. Esta estratégia tem a vantagem de ser não dissipativa (nenhuma potência real consumida e nenhum calor produzido):

Voltímetro CA com divisor capacitivo.



Se o movimento do medidor for eletrostático e, portanto, inerentemente capacitivo por natureza, um único capacitor "multiplicador" pode ser conectado em série para dar a ele uma faixa de medição de tensão maior, assim como um resistor multiplicador conectado em série fornece uma bobina móvel (inerentemente resistiva ) movimento do medidor em uma faixa de tensão maior:

Um movimento do medidor eletrostático pode usar um multiplicador capacitivo para multiplicar a escala do movimento básico do medidor.



O tubo de raios catódicos (CRT) mencionado no capítulo de medição DC é ideal para medir tensões AC, especialmente se o feixe de elétrons for varrido de um lado para outro na tela do tubo enquanto a tensão AC medida impulsiona o feixe para cima e para baixo .

Uma representação gráfica da forma de onda AC e não apenas uma medição de magnitude pode ser facilmente obtida com tal dispositivo. No entanto, os CRTs têm as desvantagens de peso, tamanho, consumo de energia significativo e fragilidade (sendo feito de vidro evacuado) trabalhando contra eles.

Por essas razões, os movimentos eletromecânicos do medidor de CA ainda têm um lugar de uso prático.

Com algumas das vantagens e desvantagens dessas tecnologias de movimento de medidor já discutidas, há outro fator crucialmente importante para o projetista e o usuário de instrumentos de medição CA estarem cientes. Esta é a questão da medição RMS.

Como já sabemos, as medições de CA são frequentemente expressas em uma escala de equivalência de energia CC, chamada de RMS ( R oot- M ean- S quare) para fins de comparações significativas com DC e com outras formas de onda AC de formatos variados. Nenhuma das tecnologias de movimento do medidor discutidas até agora medem inerentemente o valor RMS de uma quantidade CA.

Os movimentos do medidor que dependem do movimento de uma agulha mecânica ("retificada" D'Arsonval, palheta de ferro e eletrostática) tendem a calcular mecanicamente a média dos valores instantâneos em um valor médio geral para a forma de onda.

Este valor médio não é necessariamente igual ao RMS, embora muitas vezes seja confundido com tal. Os valores médios e RMS se comparam, como tal, para essas três formas de onda comuns:

Valores RMS, Média e Pico a Pico para ondas senoidais, quadradas e triangulares.



Uma vez que RMS parece ser o tipo de medição que a maioria das pessoas está interessada em obter com um instrumento, os movimentos do medidor eletromecânico fornecem naturalmente a média medições em vez de RMS, o que os projetistas de medidores CA devem fazer? Trapaça, é claro!

Normalmente, presume-se que a forma de onda a ser medida será senoidal (de longe a mais comum, especialmente para sistemas de energia) e, então, a escala de movimento do medidor é alterada pelo fator de multiplicação apropriado.

Para ondas senoidais, vemos que RMS é igual a 0,707 vezes o valor de pico, enquanto a Média é 0,637 vezes o pico, portanto, podemos dividir um valor pelo outro para obter um fator de conversão médio em RMS de 1,109:







Em outras palavras, o movimento do medidor será calibrado para indicar aproximadamente 1,11 vezes mais alto do que normalmente (naturalmente) indicaria sem acomodações especiais. Deve-se enfatizar que este “truque” só funciona bem quando o medidor é usado para medir fontes de onda senoidal pura.

Observe que para ondas triangulares, a razão entre RMS e Média não é a mesma que para ondas senoidais:







Com ondas quadradas, os valores RMS e Média são idênticos! Um medidor de CA calibrado para ler com precisão a tensão ou corrente RMS em uma onda senoidal pura não forneça o valor adequado enquanto indica a magnitude de qualquer coisa que não seja uma onda senoidal perfeita.

Isso inclui ondas triangulares, ondas quadradas ou qualquer tipo de onda senoidal distorcida. Com os harmônicos se tornando um fenômeno sempre presente em grandes sistemas de energia CA, essa questão de medição RMS precisa não é pouca coisa.

O leitor astuto notará que omiti o “movimento” do CRT da discussão RMS / Média. Isso ocorre porque um CRT com seu “movimento” de feixe de elétrons praticamente sem peso exibe o pico (ou pico a pico, se desejar) de uma forma de onda CA em vez de média ou RMS.

Ainda assim, surge um problema semelhante:como você determina o valor RMS de uma forma de onda a partir dele? Os fatores de conversão entre Pico e RMS só se mantêm enquanto a forma de onda cai perfeitamente em uma categoria conhecida de forma (seno, triângulo e quadrado são os únicos exemplos com fatores de conversão de Pico / RMS / Média fornecidos aqui!).

Uma resposta é projetar o movimento do medidor em torno da própria definição de RMS:o valor de aquecimento efetivo de uma tensão / corrente CA conforme alimenta uma carga resistiva. Suponha que a fonte CA a ser medida esteja conectada a um resistor de valor conhecido e a saída de calor desse resistor seja medida com um dispositivo como um termopar.

Isso forneceria um meio de medição muito mais direto de RMS do que qualquer fator de conversão poderia, pois funcionará com QUALQUER forma de onda, seja qual for:

Voltímetro RMS térmico de leitura direta acomoda qualquer formato de onda.



Embora o dispositivo mostrado acima seja um tanto rudimentar e sofresse de problemas de engenharia próprios, o conceito ilustrado é muito sólido. O resistor converte a tensão CA ou a quantidade de corrente em uma quantidade térmica (calor), elevando os valores ao quadrado em tempo real.

A massa do sistema trabalha para calcular a média desses valores pelo princípio da inércia térmica e, em seguida, a escala do medidor em si é calibrada para dar uma indicação com base na raiz quadrada da medição térmica:indicação perfeita da raiz quadrada média em um único dispositivo!

Na verdade, um grande fabricante de instrumentos implementou essa técnica em sua linha de ponta de multímetros eletrônicos portáteis para capacidade de “true-RMS”.

Calibrar voltímetros AC e amperímetros para diferentes faixas de operação em escala real é muito semelhante a instrumentos DC:resistores "multiplicadores" em série são usados ​​para dar aos movimentos do voltímetro uma faixa mais alta, e resistores "shunt" paralelos são usados ​​para permitir que os movimentos do amperímetro meçam correntes além de seu alcance natural.

No entanto, não estamos limitados a essas técnicas como éramos com DC:porque podemos usar transformadores com AC, os intervalos do medidor podem ser eletromagneticamente em vez de resistivamente "aumentados" ou "reduzidos", às vezes muito além do que os resistores teriam praticamente permitido por.

Transformadores de Potencial (PT) e Transformadores de Corrente (TC) são dispositivos de instrumentos de precisão fabricados para produzir relações muito precisas de transformação entre os enrolamentos primário e secundário.

Eles podem permitir movimentos pequenos e simples do medidor CA para indicar tensões e correntes extremamente altas em sistemas de energia com precisão e isolamento elétrico completo (algo que o multiplicador e os resistores de derivação nunca poderiam fazer):

(CT) O transformador de corrente reduz a corrente. (PT) O transformador de potencial reduz a tensão.



Aqui é mostrado um painel medidor de tensão e corrente de um sistema CA trifásico. Os três transformadores de corrente (TCs) "donut" podem ser vistos na parte traseira do painel. Três amperímetros CA (com deflexão de escala completa de 5 amps cada) na frente do painel indicam a corrente através de cada condutor passando por um TC.

Como este painel foi removido de serviço, não há mais condutores transportadores de corrente enfiados no centro dos "donuts" do CT:

Os transformadores de corrente toroidal reduzem os altos níveis de corrente para aplicação em amperímetros CA em escala total de 5 A.



Por causa do custo (e geralmente do tamanho grande) dos transformadores de instrumento, eles não são usados ​​para dimensionar medidores CA para quaisquer aplicações que não sejam alta tensão e alta corrente. Para dimensionar um movimento de miliamperes ou microamperes para uma faixa de 120 volts ou 5 amperes, resistores de precisão normal (multiplicadores e shunts) são usados, assim como com DC.



REVER:

• Os movimentos do medidor polarizado (DC) devem usar dispositivos chamados diodos ser capaz de indicar quantidades AC.
• Os movimentos do medidor eletromecânico, sejam eletromagnéticos ou eletrostáticos, fornecem naturalmente a média valor de uma grandeza CA medida. Esses instrumentos podem ser ajustados para indicar o valor RMS, mas apenas se a forma da onda AC for precisamente conhecida de antemão!
• O chamado verdadeiro RMS medidores usam tecnologia diferente para fornecer indicações que representam o RMS real (em vez da média distorcida ou pico) de uma forma de onda AC.