El puente de Wheatstone
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| 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.
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| Samuel Hunter Christie (Londres, 1784 – 1865). Fuente imagen: Wikimedia |
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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.
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| Sir Charles Wheatstone (Gloucester, 1802-1875). Fuente imagen: Wikimedia. |
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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:
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Puente de Wheatstone. Fuente imagen: Wikipedia
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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.
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 IG
= 0 A, lo que implica que VG = 0 V (Se suele usar un galvanómetro
para verificar que se cumple).
Las resistencias conocidas son: R1, R2
y R3 . Cálculo de Rx
A.2. Método de las mallas (para puente equilibrado):
Ecuaciones:
A.3. Mediante el circuito equivalente de Thévenin
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Circuito equivalente Thévenin. Fuente
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- Resistencia de Thévenin: Rth
Aplicación práctica: Instrumento de medición. Caja de décadas:
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Puente de Wheatstone. Caja de 5 décadas de resistencias
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Circuito Caja de décadas de resistencias:
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.
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Caja de 8 décadas (0,01 ohmio-1 megaohmio). Cropico RM8
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B. Aplicación como elemento de un transductor (instrumentación): Convierte la variación de resistencia (en el sensor) en una tensión. Puente desequilibrado
Fundamento: Se puede demostrar que si se tiene un puente de Wheatstone equilibrado (IG = 0 A) de tal manera que R1 = R2 = R3 = Rx = R0 y la resistencia Rx varía su valor en una pequeña cantidad ∆RX, entonces la intensidad IG que circula por el galvanómetro es proporcional a:
Conocido R
0, se puede obtener el valor de ∆R
x a partir de I
GSistemas de instrumentación: 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).
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Ejemplos de sensores resistivos. Fuente
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Partes de una galga
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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: la medida de deformaciones en una estructura se realiza con galgas extensiométricas, cuya resistencia varía según las deformaciones que detecta. Estas variaciones de resistencia se pueden medir con puentes de Wheatstone.
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Puente con galga conexión 2 hilos
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Ejemplo de circuito de instrumentación: Utilizando un amplificador diferencial: |
Puente resistivo para intrumentación con un amplificador diferencial. Fuente: elaboración propia
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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:
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| Aparato de medida de resistencias basado en el puente de Wheatstone. Wikimedia |
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Aparato basado en el puente de Wheatstone. Marca Norma. La resistencia a medir X (colocada entre los bornes) se calcula multiplicando el valor en B (permite variar el cociente R2/R1 en valores de potencias de 10) por el valor en A (ajuste fino de R3) cuando la intensidad medida en el galvanómetro vale cero (puente equilibrado).
Blog todotecnologia-eso.blogspot.com |
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- 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.
Blog: todotecnologia-eso.blogspot.com
