Projetando Faixas de Voltímetro de Precisão: De Movimentos Sensíveis a Leituras de Escala Completa

A maioria dos movimentos de medidor é altamente sensível. Por exemplo, alguns movimentos D'Arsonval são classificados para uma corrente de deflexão de escala completa tão baixa quanto 50 µA, com uma resistência interna de fio abaixo de 1 kΩ. Isso limita a tensão de escala completa direta do movimento a apenas 50 mV (50 µA × 1 kΩ). Para construir voltímetros práticos capazes de medir tensões mais altas, devemos atenuar a tensão de entrada para que apenas uma fração segura alcance o movimento.

Exemplo de Movimento D'Arsonval

Considere um movimento D'Arsonval com classificação de deflexão de escala completa de 1 mA e resistência de bobina de 500 Ω. Usando a lei de Ohm, a tensão que leva este movimento à escala completa é:

E = I R
E = (1 mA)(500 Ω) = 0,5 V

Assim, o movimento nu pode ler até 0,5 V. Para estender sua faixa além deste valor, precisamos de um circuito de proporcionalidade que limite a tensão através do movimento enquanto permite que o medidor exiba tensões aplicadas mais altas.

Quando adicionamos um resistor em série — o chamado resistor multiplicador — o movimento torna-se parte de um divisor de tensão. A tensão total aplicada ao par em série é dividida entre o multiplicador e o movimento, garantindo que apenas a fração apropriada alcance a bobina.

Calculando o Resistor Multiplicador

Suponha que queremos o movimento de 1 mA, 500 Ω para atingir escala completa em uma tensão aplicada de 10 V. Primeiro, montamos uma tabela E/I/R para os dois elementos em série:

Com o movimento em escala completa (1 mA) e a tensão total aplicada em 10 V, a tabela fica:

Existem duas maneiras comuns de encontrar a resistência do multiplicador:

• Método da resistência total: R_total = E/I = 10 V/1 mA = 10 kΩ. Subtraia os 500 Ω do movimento para obter R_multiplicador = 9,5 kΩ.
• Método da queda de tensão: O movimento cai 0,5 V (E = IR). Os 9,5 V restantes devem cair no multiplicador. Usando R = E/I, obtemos R_multiplicador = 9,5 kΩ novamente.

Qualquer abordagem confirma que um multiplicador de 9,5 kΩ é necessário. Quando 10 V é aplicado nos terminais, 1 mA flui pelo circuito, o movimento vê exatamente 0,5 V e a agulha aponta para escala completa. A face do medidor é simplesmente reescalada para ler 0–10 V, então o usuário vê uma leitura correta de 10 volts sem conhecer a divisão subjacente.

Assim, um movimento sensível é "enganado" por uma rede de resistores de precisão para exibir uma tensão maior. Amperímetros usam um resistor shunt em paralelo para dividir corrente, mas o princípio subjacente é idêntico.

Design de Voltímetro Multi-Faixa

Para fornecer a um único movimento múltiplas faixas de tensão, uma chave seletora multi-polo contata diferentes resistores multiplicadores. Um voltímetro típico de quatro faixas (1 V, 10 V, 100 V, 1 kV) construído em um movimento de 1 mA, 500 Ω usaria os seguintes valores de resistor:

Estes valores são frequentemente impraticáveis de obter diretamente. Projetistas, portanto, usam uma abordagem em degraus, selecionando valores padrão de resistores que somam ao total requerido. Para a faixa de 1 kV, o seletor contata uma pilha em série de 900 kΩ, 90 kΩ, 9 kΩ e 500 Ω:

Somando estes, obtém-se o exato 999,5 kΩ necessário:

R_total = R4 + R3 + R2 + R1 = 900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω = 999,5 kΩ

Da perspectiva do usuário, o medidor se comporta identicamente em todas as faixas; apenas os rótulos da escala mudam.

Revisão

• Faixas estendidas de voltímetro são alcançadas adicionando resistores multiplicadores em série que formam um divisor de tensão.
• Cada faixa usa um valor de resistor distinto ou uma combinação de valores padrão.
• A sensibilidade do movimento é preservada enquanto permite medição de altas tensões.

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