Medir voltaje de corriente continua (CC)

Medir voltaje 

El voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito eléctrico o electrónico, expresada en voltios. Mide la energía potencial de un campo eléctrico para causar una corriente eléctrica en un conductor eléctrico. 

Para medir el voltaje, debe comprender el nivel de voltaje al que se hace referencia a la medida, así como la fuente de la señal. Dos métodos para medir voltajes son referenciado a tierra y diferencial. Los tipos de fuentes de señal comunes son fuentes de señal flotante y fuentes de señal a tierra.

Ambas fuentes de señal tienen diagramas de conexión óptimos basados en el método de medida individual. Tenga en cuenta que, dependiendo del tipo de señal, un método de medida de voltaje en particular puede proporcionar mejores resultados que otros.  Aprenda más sobre las consideraciones de ruido y cableado en campo para señales analógicas.

Métodos de medida de punto de referencia

Existen dos métodos para medir voltajes: referenciado a tierra y diferencial.

Medida de voltaje referenciado a tierra (RSE o NRSE)

 

Un método es medir el voltaje con respecto a un punto común o un punto a "tierra". A menudo, estas "tierras" son estables e invariables y suelen rondar los 0 V. Históricamente, el término tierra se originó a partir de la aplicación habitual de garantizar que el potencial de voltaje esté en 0 V conectando la señal directamente a tierra. Las conexiones de entrada referenciadas a tierra son particularmente buenas para un canal que cumple las siguientes condiciones:

 

• La señal de entrada es de alto nivel (mayor que 1 V).
• Las terminales que conectan la señal al dispositivo son menores de 10 pies (3 m).
• La señal de entrada puede compartir un punto de referencia común con otras señales.

La referencia a tierra la proporciona el dispositivo que realiza la medida o la señal externa que se mide. Cuando el dispositivo proporciona la conexión a tierra, esta configuración se denomina modo referenciado a tierra de una sola terminal (RSE), y cuando la señal proporciona la conexión a tierra, la configuración se denomina modo no referenciado a tierra de una sola terminal (NRSE).

Medida de voltaje diferencial (DIFF)

Otra manera de medir el voltaje es determinar el voltaje "diferencial" entre dos puntos separados en un circuito eléctrico. Por ejemplo, para medir el voltaje en un solo resistor, usted mide el voltaje en ambos extremos del resistor. La diferencia entre los voltajes es el voltaje a través del resistor. Por lo general, usted puede usar medidas de voltaje diferencial para determinar el voltaje que existe en los elementos individuales de un circuito, o puede usar este método cuando las fuentes de señal son ruidosas.

Las conexiones de entrada diferencial son particularmente adecuadas para un canal que cumple con cualquiera de las siguientes condiciones:

• La señal de entrada es de bajo nivel (menos de 1 V)
• Las terminales que conectan la señal con el dispositivo son mayores de 3 m (10 pies)
• La señal de entrada requiere un punto de referencia a tierra separado o señal de retorno.
• Las terminales de señal viajan a través de entornos ruidosos.

En el modo diferencial, la señal negativa se cablea al pin analógico directamente frente al canal analógico que está conectado a la señal positiva. La desventaja del modo diferencial es que efectivamente reduce a la mitad el número de canales de medida de entrada analógica.

Tipos de fuentes de señal

Antes de configurar los canales de entrada y realizar conexiones de señal, debe determinar si las fuentes de señal son flotantes o están referenciadas a tierra.

 

Fuente de señal flotante

Una fuente de señal flotante no está conectada al sistema a tierra del edificio, pero tiene un punto de referencia a tierra aislada. Algunos ejemplos de fuentes de señales flotantes son las salidas de transformadores, termopares, dispositivos alimentados por batería, aisladores ópticos y amplificadores de aislamiento. Un instrumento o dispositivo que tiene una salida aislada es una fuente de señal flotante. La referencia a tierra de una señal flotante debe conectarse a la tierra del dispositivo para establecer una referencia local o interna para la señal. De lo contrario, la señal de entrada medida varía conforme la fuente flota fuera del rango de entrada de modo común.

Para señales flotantes, usted tiene varias opciones cuando se trata de configuraciones de entrada: diferencial (DIFF), referenciada a tierra de una sola terminal (RSE) o no referenciada de una sola terminal (NRSE).

Figura 1. Fuente de señal flotante con configuraciones de entrada recomendadas

Fuentes de señal referenciadas a tierra

Una fuente de señal referenciada a tierra está conectada a la tierra del sistema del edificio, así ya está conectada a un punto de tierra común con respecto al dispositivo, suponiendo que el dispositivo de medida esté enchufado al mismo sistema de alimentación que la fuente. En esta categoría entran las salidas no aisladas de instrumentos y dispositivos que se conectan al sistema de alimentación del edificio. La diferencia en el potencial a tierra entre dos instrumentos conectados al mismo sistema de alimentación del edificio está generalmente entre 1 y 100 mV, pero la diferencia puede ser mucho mayor si los circuitos de distribución de alimentación son conectados incorrectamente. Si la fuente de señal a tierra se mide de manera incorrecta, esta diferencia puede aparecer como error de medida. Siga las instrucciones de conexión para las fuentes de señal a tierra para eliminar esta diferencia de potencial a tierra de la señal medida.

Para las señales a tierra, tiene dos opciones cuando se trata de configuraciones de entrada, diferencial (DIFF) o no referenciada de una sola terminal (NRSE). NI no recomienda que utilice configuraciones de entrada referenciada a tierra de una sola terminal para fuentes de señal a tierra.

Figura 2. Fuente de señal referenciada a tierra con configuraciones de entrada

Configuración de entrada de fuente de señal a tierra

Para las señales a tierra, tiene dos opciones cuando se trata de configuraciones de entrada. Nota: NI no recomienda que utilice configuraciones de entrada referenciada a tierra de una sola terminal para fuentes de señal a tierra.

Consideraciones de medidas de voltaje 

Al medir voltaje, debe considerar aspectos como medidas de alto voltaje, ciclos de tierra, voltaje de modo común y topologías de aislamiento.

Medidas de alto voltaje y aislamiento

Hay muchos aspectos que se deben considerar cuando se miden voltajes más altos. Al determinar un sistema de adquisición de datos, la primera pregunta que debe hacerse es si el sistema será seguro. Realizar medidas de alto voltaje puede ser peligroso para su equipo, para la unidad bajo prueba e incluso para usted y sus colegas. Para garantizar que su sistema sea seguro, debe proporcionar una barrera de aislamiento entre el usuario y los voltajes peligrosos con dispositivos de me medida aislados.

El Aislamiento, un medio para separar física y eléctricamente dos partes de un dispositivo de medida, se puede clasificar como aislamiento eléctrico y de seguridad. El aislamiento eléctrico se refiere a eliminar las trayectorias a tierra entre dos sistemas eléctricos. Al proporcionar aislamiento eléctrico, usted puede romper los lazos a tierra, aumentar el rango de modo común del sistema de adquisición de datos y nivelar la referencia a tierra a una sola tierra del sistema. Los estándares de referencia de aislamiento de seguridad que tienen requisitos específicos para aislar a las personas del contacto con voltajes peligrosos. También caracteriza la capacidad de un sistema eléctrico para evitar que se transmitan alto voltajes y voltajes transitorios a través de su límite a otros sistemas eléctricos con los que el usuario pueda entrar en contacto.

Incorporar el aislamiento en un sistema de adquisición de datos tiene tres funciones principales: evitar lazos de tierra, rechazar el voltaje de modo común y proporcionar seguridad.

Aprenda más sobre medidas de alto voltaje y aislamiento.

Ciclos a tierra

Los ciclos a tierra son la fuente más común de ruido en las aplicaciones de adquisición de datos. Ocurren cuando dos terminales conectadas en un circuito están en potenciales a tierra distintos, provocando que la corriente fluya entre dos puntos. La tierra local de su sistema puede estar varios voltios por encima o por debajo de la tierra del edificio más cercano, y los rayos cercanos pueden causar que la diferencia aumente a varios cientos o miles de voltios. Este voltaje adicional en sí mismo puede causar un error significativo en la medida, pero la corriente que lo provoca también puede acoplar los voltajes en cables cercanos. Estos errores pueden aparecer como señales periódicas o transitorias. Por ejemplo, si se forma un ciclo a tierra con líneas de alimentación de CA de 60 Hz, la señal de CA no deseada aparece como un error de voltaje periódico en la medida.

Cuando existe un ciclo de tierra, el voltaje medido, ΔV_m, es la suma del voltaje de la señal, Vs, y la diferencia de potencial, ΔV_g, que existe entre la tierra de la fuente de señal y la tierra del sistema de medidas, como se muestra en la Figura 6. Este potencial generalmente no es un nivel de CC; por lo tanto, el resultado es un sistema de medidas ruidoso que a menudo muestra componentes de frecuencia de línea eléctrica (60 Hz) en las lecturas.

Figura 3. Una fuente de señal a tierra medida con un sistema referenciado a tierra introduce ciclos a tierra

Para evitar lazos a tierra, asegúrese de que solo haya una referencia a tierra en el sistema de medidas o utilice hardware de medidas aislado. El uso de hardware aislado elimina la trayectoria entre la tierra de la fuente de la señal y el dispositivo de medidas, lo que evita que la corriente fluya entre múltiples puntos a tierra.

Voltaje de modo común

Un sistema de medidas diferencial ideal responde únicamente a la diferencia de potencial entre sus dos terminales: las entradas (+) y (-). El voltaje diferencial en el par de circuitos es la señal deseada, no obstante, puede existir una señal no deseada que es común en ambos lados de un par de circuitos diferenciales. Este voltaje se conoce como voltaje de modo común. Un sistema ideal de medida diferencial rechaza por completo, en lugar de medir el voltaje de modo común. Sin embargo, los dispositivos prácticos tienen varias limitaciones, descritas por parámetros tales como el rango de voltaje en modo común y la relación de rechazo en modo común (CMRR), que limitan esta capacidad para rechazar el voltaje en modo común.

El rango de voltaje de modo común se define como la oscilación de voltaje máxima permisible en cada entrada con respecto a la tierra del sistema de medidas. La violación de esta restricción da como resultado no solo un error de medida, sino también un posible daño a los componentes del dispositivo.

La relación de rechazo en modo común describe la habilidad de un sistema de medidas de rechazar voltajes de modo común. Los amplificadores con relaciones más altas de rechazo de modo común son más efectivos para rechazar voltajes de modo común.

En un sistema de medida diferencial no aislado, todavía existe una trayectoria eléctrica en el circuito entre la entrada y la salida. Por lo tanto, las características eléctricas del amplificador limitan el nivel de la señal de modo común que usted puede aplicar a la entrada. Con el uso de amplificadores de aislamiento, se elimina la trayectoria eléctrica conductiva y la relación de rechazo de modo común aumenta drásticamente.

Topologías de aislamiento

Es importante comprender la topología de aislamiento de un dispositivo al configurar un sistema de medidas. Las diferentes topologías tienen varias consideraciones de costo y velocidad. Dos topologías comunes son entre canales y banco.

Entre canales

La topología de aislamiento más robusta es el aislamiento entre canales. En esta topología, cada canal es aislado individualmente, uno del otro y de otros componentes del sistema no aislados. Además, cada canal tiene su propia fuente de alimentación aislada.

En cuanto a la velocidad, hay varias arquitecturas a elegir. Usar un amplificador de aislamiento con un convertidor analógico a digital (ADC) por canal suele ser más rápido porque usted puede tener acceso a todos los canales en paralelo. Una arquitectura más rentable pero más lenta, implica multiplexar cada canal de entrada aislado en un solo ADC.

Otro método para proporcionar aislamiento entre canales es utilizar una fuente de alimentación aislada común para todos los canales. En este caso, el rango de modo común de los amplificadores se limita a los rieles de suministro de esa fuente de alimentación, a menos que se usen atenuadores frontales.

Banco

Otra topología de aislamiento implica bancos o agrupar varios canales para compartir un solo amplificador de aislamiento. En esta topología, la diferencia de voltaje de modo común entre canales es limitada, pero el voltaje de modo común entre el banco de canales y la parte no aislada del sistema de medidas puede ser grande. Los canales individuales no están aislados, pero los bancos de canales están aislados de otros bancos y desde tierra. Esta topología es una solución de aislamiento de bajo costo porque este diseño comparte un solo amplificador de aislamiento y fuente de alimentación.

Medir voltaje con hardware de NI

La calidad del hardware de adquisición determina la calidad de los datos de voltaje que usted recopila. NI ofrece una gama de hardware de medidas de voltaje que puede medir con precisión el voltaje en una amplia variedad de valores y generar señales de voltaje para aplicaciones de control y comunicación. Los productos de voltaje de NI tienen opciones que están optimizadas para ubicaciones industriales o peligrosas y pueden tener aislamiento integrado y protección contra sobrecorriente para aplicaciones de alto voltaje.