Fig. 1: Imagen de un multímetro digital
Como sugiere el nombre, los multímetros son aquellos instrumentos de medición que se pueden utilizar para calcular las características de múltiples circuitos. Convertirlos en digitales proporciona resultados muy precisos porque, a diferencia de sus homólogos analógicos, no hay ninguna aguja cuyo puntero deba descubrirse. ¿Por qué los medidores digitales son más avanzados que sus predecesores? ¿Qué circuitos internos existen para impulsar cálculos tan rápidos y veloces? ¿Simplemente conéctelo al circuito y tome lecturas de inmediato? El multímetro hace esto por nosotros. Entonces, exploremos los detalles esenciales del multímetro que lo convierten en un experto en todos los oficios para muchas (si no todas) las mediciones eléctricas.
Cubierta exterior
Fig. 2: Imagen que muestra las distintas partes de la estructura externa del multímetro
La imagen de arriba muestra un multímetro de uso común. Encerrado en una carcasa de plástico duradera, este instrumento de medición y prueba viene con un soporte opcional para inclinarlo y facilitar la lectura.
Cada multímetro viene con unas especificaciones que definen las funciones y el rango que puede medir. Por ejemplo, el de esta información puede medir voltaje CC en el rango de 400 mV a 1000 V y la resistencia se puede medir de 400 ohmios a 400 megaohmios. Además de medir mediciones convencionales de corriente, voltaje y resistencia, el instrumento que se muestra también puede probar lógica, medir características de diodos y probar transistores para detectar pequeñas ganancias de corriente e incluso medir frecuencia. Para medir la continuidad se proporciona un zumbador que emite un sonido indicando que el circuito está funcionando.
La precisión es uno de los aspectos más críticos en las especificaciones. Este grado de proximidad entre el resultado medido y el real debe ser lo más alto posible. Cuanto menor sea el margen de desviación, mayor será la precisión. Por ejemplo, un multímetro que mide voltaje con una precisión de +/-0,6 V sería más preciso en su lectura en comparación con +/-0,8 V. A menudo, la calidad de los multímetros se juzga en función de su precisión.
Puertos de entrada y batería
Fig. 3: Puertos del multímetro
La mayoría de los multímetros tienen un voltio y un puerto común donde se conectan los cables de prueba. Sin embargo, para medir la corriente, se proporcionan puertos adicionales. Es la inclusión del puerto de corriente de miliamperios lo que requiere un buen circuito de protección en el multímetro, ya que las aplicaciones accidentales de alta corriente pueden dañar el instrumento y también causar daños al usuario.
Fig. 4: Batería y fusible en la parte posterior del multímetro
La parte posterior del multímetro contiene una batería de 9 V y un fusible. Colocado entre la batería y los puertos de entrada, el fusible actúa como protector de circuito, interrumpiendo el proceso de medición cuando se aplican al multímetro entradas superiores al rango soportable. La batería y el fusible se cierran mediante una solapa con un solo tornillo para que puedan cambiarse fácilmente, evitando interrupciones más prolongadas en el proceso de medición. Se proporciona un fusible adicional para mayor comodidad.
Estructura interna
Fig. 5: PCB y circuito del multímetro
No hay tornillos necesarios para abrir la caja del multímetro, ya que las secciones superior e inferior están aseguradas mediante pestillos de plástico. La PCB y todos los circuitos están montados en la sección superior, mientras que la sección inferior es una fina capa de aluminio anodizado. Esta capa no conductora ayuda a la dispersión uniforme del calor en casos de entradas de alta corriente al multímetro.
tarjeta de circuito impreso
Fig. 6: Una mirada más cercana a la PCB y la disposición del circuito
La PCB contiene una variedad de componentes diversos, incluidos varios tipos de resistencias, condensadores, diodos y circuitos integrados. Además, alberga la batería, el oscilador de cristal, el PTC, la pantalla LCD y el zumbador que prueba la continuidad del dispositivo bajo prueba (DuT).
Los circuitos integrados fijados en la PCB que se muestran arriba son:
1. LM324DG: Es un IC amplificador operacional de baja potencia que funciona como comparador. Este IC tiene entradas y salidas cuádruples y requiere solo una fuente de alimentación única. Por lo tanto, proporciona potencia optimizada en entradas de bajo voltaje.
Fig. 7: Amplificador operacional IC—LM324DG
2. HEF4070: Puertas OR exclusivas cuádruples: este circuito integrado de 14 pines proporciona funciones EX-OR cuádruples con alta inmunidad al ruido. Este IC se utiliza principalmente como comparador lógico y comprobador de paridad.
Figura 8: CI de 14 pines – HEF4070
3. HCF4069: Es un IC inversor de 14 pines con función hexagonal. Al trabajar con un requisito de potencia medio, este IC inversor tarda 30 ns en cambiar su salida de baja a alta y viceversa.
Fig. 9: Inversor de función hexagonal — HCF4069
4. TL062: Un circuito integrado de amplificador operacional JFET de 8 pines diseñado para operaciones de bajo consumo, funciona en modo de función dual, lo que significa que puede hacer el trabajo de dos amplificadores operacionales.
Fig. 10: Circuito integrado del amplificador operacional JFET - TL062
Además de todos los circuitos integrados mencionados anteriormente, también hay un IC cob que interactúa con la pantalla LCD, montado en la parte posterior de la pantalla LCD.
Selector de rango
Conducción de anillo circular y selección de rango/función
Fig. 11: LCD, PCB y perilla
La PCB se fija a la carcasa superior del multímetro con la ayuda de tornillos. Una pantalla LCD y un botón giratorio se encuentran entre la carcasa superior y el otro lado de la placa de circuito impreso. Además, se pueden ver los contactos para encender y apagar el multímetro. Algunos multímetros emplean el interruptor giratorio para manejar las opciones de encendido y apagado, mientras que otros requieren un interruptor deslizante, como el de esta información.
El otro lado de la placa de circuito impreso tiene 11 anillos conductores concéntricos entre los cuales se realizan e interrumpen conexiones con la ayuda del botón giratorio que funciona como un interruptor. El patrón de timbre puede variar según el fabricante del multímetro y las funciones enumeradas. Ninguno de los anillos completa un patrón circular completo, sino que están rotos en una parte u otra. Estas líneas también están lubricadas para permitir que la llave funcione suavemente cuando se gira.
La rotación del interruptor define qué parte del circuito en la PCB estaría activa y cuál no.
Fig. 12: Imagen del interruptor giratorio (arriba) y alineación del anillo (abajo)
Arriba se puede ver una mejor vista de cómo se alinean los anillos según el selector de rango/función. De hecho, el interruptor giratorio no necesariamente entra en contacto con los anillos correspondientes a la función cerca de la cual está colocado.
Por ejemplo, cuando se activa el multímetro para medir resistencia en el rango de 400K, el posicionamiento de los contactos del interruptor se puede ver en las imágenes que se muestran a continuación:
Fig. 13: Figura que muestra la posición del interruptor giratorio para medir el rango de resistencia de 400K
Fig. 14: Mecanismo de interruptor giratorio
Fig. 15: Indicador y posicionamiento del pasador correspondiente
Fig. 16: Colocación del interruptor giratorio en la placa de circuito impreso
En lugar de colocarse justo debajo del indicador de rango, los contactos se colocan perpendiculares a él. Las láminas de metal en la parte inferior del dial actúan como puentes que establecen interconexiones entre diferentes pares de anillos conductores en cada posición. La conexión entre los anillos transmite una señal eléctrica al PCB referente a la cantidad y su respectivo rango a medir.
Fig. 17: Pista en la caja superior donde está posicionado el interruptor
Para permitir una fácil rotación del interruptor, se proporciona una pista dentro de la carcasa superior junto con dos pequeñas bolas de metal. Estas pequeñas bolas ayudan al movimiento en la pista y emiten un sonido de "clic" cada vez que se gira la perilla para confirmar que el usuario ha cambiado el rango, la función o ambos. El uso de pequeñas bolas de metal sobre una pista corrugada también hace que el dial y, por lo tanto, el modo del multímetro permanezcan en su posición incluso si el ajuste tiembla o el multímetro se cae.
LCD
Fig. 18: Pantalla LCD de 7 segmentos del multímetro
Al proporcionar una salida de 7 segmentos, la pantalla LCD forma una especificación de configuración crítica del multímetro en términos de los dígitos mostrados. Dado que la salida del LCD es una medida directa de la resolución del multímetro, es deseable que muestre tantos caracteres como sea posible. La pantalla LCD se mide en la cantidad de dígitos que puede mostrar. Los números totales que pueden aparecer en la pantalla LCD se definen como recuentos. . La resolución de la pantalla LCD se define por el número de cuentas junto con el dígito más significativo. Si el dígito más significativo es 0 o 1, una fracción de ½ acompaña a la resolución y para otros valores menores a 9 es ¾. Por ejemplo, LCD con 3999 recuentos, la resolución sería 3¾.
Fig. 19: Resolución LCD
Fig. 20: Carcasa de plástico LCD (arriba) y almohadillas de goma amortiguadoras
La pantalla LCD está integrada en la PCB y está conectada a través de pines en la propia PCB. Una carcasa de plástico transparente cubre la pantalla LCD y la protege de arañazos. Además, la absorción de impactos la proporcionan las almohadillas de goma firmemente adheridas a la parte superior e inferior de la pantalla LCD.
Laboral
Después de encender el instrumento, el usuario gira la perilla hasta la función de medición deseada y su rango. Dependiendo de la función y del rango de selección, los anillos concéntricos de la placa de circuito impreso están en cortocircuito. Esto a su vez activa esa sección de la PCB que es responsable de realizar mediciones en ese rango. Como se trata de un instrumento de medición digital, un convertidor analógico a digital se utiliza ampliamente para convertir mediciones en valores discretos.
Fig. 21: Diagrama de bloques del funcionamiento del multímetro
A excepción de la corriente, la mayoría de las mediciones se basan en el voltaje. Por ejemplo, al medir la resistencia, se envía una pequeña cantidad de corriente a través de los terminales del DuT. La caída de voltaje generada se toma como entrada y se divide por la corriente del circuito interno para determinar la resistencia.
El diagrama de bloques que se muestra arriba proporciona una descripción general de cómo funciona el multímetro. Pasada por los cables de prueba, la entrada es analógica y ingresa al circuito interno en forma de onda. La señal de entrada primero se acondiciona para luego pasar a su respectivo circuito de medición. Además, está optimizado para la selección de pistas y se envía a un convertidor de analógico a digital. El convertidor analógico a digital puede ser de varios tipos según las capacidades del multímetro y el fabricante involucrado. Para convertir la señal, el ADC muestrea la onda analógica. Para garantizar la reconstrucción de la señal, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia de la señal analógica.
La mayoría de los ADC utilizados en multímetros siguen el método de integración de doble pendiente en el que la señal digital se compara con una referencia. Su salida va a un registro de aproximación sucesiva (SAR) que envía la salida final a la unidad de procesamiento y equilibra la señal de referencia para una comparación optimizada. Se requiere una entrada de reloj para el contador SAR que proporciona un oscilador de cristal. El procesamiento involucrado en los multímetros generalmente se limita a sumar los pulsos y es un circuito integrador.
Luego de la conversión de analógico a digital, el resultado se envía a la unidad de procesamiento que toma los valores, decodifica su magnitud y los envía a la pantalla LCD.
Los multímetros se han utilizado con fines de medición electrónica durante mucho tiempo y se espera que permanezcan por mucho tiempo y obtengan más modificaciones en la medición de cantidades. Los multímetros analógicos estaban inicialmente de moda, pero requerían calibración y el error humano a menudo provocaba errores en las mediciones. Con las mediciones digitales, los resultados no sólo son más precisos, sino que también pueden resolverse a un alto nivel. Desde voltaje hasta corrientes, los multímetros digitales ahora pueden incluso medir temperatura y capacitancia y ahora pueden tener conectores RS232 para comunicarse con máquinas más inteligentes. Con nuevos diseños que se lanzan todos los días y circuitos integrados especializados que se fabrican para cada medición imaginable, los desarrolladores innovadores continúan incorporando más funciones en los estrechos rincones del multímetro mientras operan bajo costos y condiciones de energía nominales.