Tecnología -E.S.O. e Ingeniería -Bachillerato: Electrónica fácil. El puente de Wheatstone y sus aplicaciones. Análisis mediante mallas, divisor de tensión y Thévenin

lunes, 6 de noviembre de 2023

Electrónica fácil. El puente de Wheatstone y sus aplicaciones. Análisis mediante mallas, divisor de tensión y Thévenin

El puente de Wheatstone

Esquema puente de Wheatstone. Fuente: Wikipedia
Hola. El puente de Wheatstone es un circuito que sirve para medir resistencias con precisión y también se utiliza en instrumentación electrónica como parte de los sensores (transductores). Variantes del puente de Wheatstone se pueden utilizar para la medida de impedancias, capacitancias e inductancias. En esta entrada vamos a ver su análisis eléctrico y algunas de las aplicaciones didácticas de dicho montaje.


Samuel Hunter Christie (Londres, 1784 – 1865). Fuente imagen: Wikimedia

El circuito fue diseñado inicialmente en 1833 por el físico Samuel Hunter Christie (Londres, 1784 - 1865), pero el nombre del mismo se debe al físico e inventor inglés Sir Charles Wheatstone (1802-1875) que fue el primero en hacerlo popular en aplicaciones para medir resistencias sobre 1843.


Sir Charles Wheatstone (Gloucester, 1802-1875). Fuente imagen: Wikimedia.

Funcionamiento:

A. Puente de Wheatstone (Puente de CC) para medir resistencias: puente equilibrado o balanceado (método de cero)

Para medir resistencias podemos usar un ohmímetro pero también podemos usar el puente de Wheatstone. Dicho circuito está formado por dos resistencias patrón (R1 y R3), una resistencia variable (R2), una fuente de alimentación de corriente continua (o directa), un amperímetro (galvanómetro) o un voltímetro y por supuesto la resistencia que queremos medir (Rx).

Esquema de montaje:

Puente de Wheatstone. Fuente imagen: Wikipedia

El galvanómetro es un amperímetro de alta precisión. Los galvanómetros analógicos (electromecánicos) que se suelen emplear son los de bobina móvil e imán permante. Su principio de operación se conoce como mecanismo de D'Arsonval, en honor al científico francés Jacques-Arsène d'Arsonval.

Galvanómetro de imán permanente y bobina móvil. todotecnologia-eso

Resolución del puente de Wheatstone:

Vamos a resolver el circuito utilizando tres métodos diferentes:

A.1. Mediante divisores de tensión:

Calculamos las tensiones en las dos ramas de resistencias mediante un divisor de tensión:

Suponemos circuito equilibrado, es decir I_G = 0 A, lo que implica que V_G = 0 V (Se suele usar un galvanómetro para verificar que se cumple).

Las resistencias conocidas son: R₁, R₂ y R₃. Cálculo de R_x

A.2. Método de las mallas (para puente equilibrado):

Análisis mediante mallas. Fuente: todotecnologia-eso

Ecuaciones:

A.3. Mediante el circuito equivalente de Thévenin

Circuito equivalente Thévenin. Fuente

Tensión de Thévenin: U_th

Tensión de Thévenin. Fuente: todotecnologia-eso

Resistencia de Thévenin: R_th

Resistencia de Thévenin. Fuente: todotecnologia-eso

Aplicación práctica: Instrumento de medición. Caja de décadas:

Puente de Wheatstone. Caja de 5 décadas de resistencias

Circuito Caja de décadas de resistencias:

Circuito caja de décadas. Fuente: elaboración propia

Para calcular la resistencia desconocida (Rx) se mueven los cuatro mandos giratorios (potenciómetros) hasta que el valor del galvanómetro o voltímetro sea cero. En ese momento, el valor de la resistencia Rx coincide con el valor indicado en los potenciómetros de la caja de décadas.

Caja de 8 décadas (0,01 ohmio-1 megaohmio). Cropico RM8

B. Aplicación como elemento de un transductor: Convierte la variación de resistencia (en el sensor) en una tensión. Puente desequilibrado

Como sensor resistivo (variación de la resistencia en función de una magnitud física) podemos utilizar por ejemplo:

Para presión/esfuerzo-deformación/posición: una galga extensiométrica (strain gage en inglés). Se basan en el efecto piezorresistivo en las galgas semiconductoras. Tienen numerosas aplicaciones en construcción (cálculo de deformaciones y esfuerzos mecánicos (de forma indirecta)) y como células de carga (para pesaje). Las galgas se fabrican con metales (hilo o lámina conductora) o con semiconductores.

Para temperaturas: un termistor* (PTC o NTC) o una termorresistencia RDT (detector de temperatura resistivo - Resistance Temperature Detector- , generalmente la Pt100). Los termistores se fabrican con semiconductores y las RDT con conductores metálicos como el platino, el cobre o el níquel. La RDT Pt100 está fabricada con platino con una resistencia de 100 ohmios a 0 ºC. Las termorresistencias presentan una alta linealidad.

Para luminosidad: una fotorresistencia o LDR (Light Dependent Resistor / resistor dependiente de la intensidad de la luz (lux - lx). El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohmios) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios).

Ejemplos de sensores resistivos. Fuente

Partes de una galga

De forma generalizada, el puente de Wheatstone se utiliza para galgas extensiométricas y RTD. Para galgas podemos utilizar una rama (1/4 de puente), dos ramas (medio puente), tres o cuatro ramas (puente completo). El resto estará ocupado por resistencias fijas de alta precisión y estabilidad.

Ejemplo de conexión de galgas extensiométricas:

Puente con galga conexión 2 hilos

Ejemplo de circuito de instrumentación: Utilizando un amplificador diferencial:

Puente resistivo para intrumentación con un amplificador diferencial. Fuente: elaboración propia

Siendo Rs la resistencia del sensor. Generalmente se toma:

Por último, indicar que existen puentes de décadas de condensadores y de inductancias:

Anexo: Equipos de medida basados en el puente de Wheatstone:

Aparato de medida de resistencias basado en el puente de Wheatstone. Wikimedia


Aparato basado en el puente de Wheatstone. Marca Norma. Blog todotecnologia-eso.blogspot.com	.

Puente de Wheatstone utilizado como sensor de presión. Fuente: De User:instrumentacion industrial antonio creus - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, Wikipedia.

Fuentes / Vídeos interesantes:

* Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura, su nombre proviene de Thermally sensitive resistor (Resistor sensible a la temperatura en inglés). Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.