En las pruebas de baterías, el instrumento de medición no debe alterar significativamente la cantidad que se está midiendo. Por lo tanto, un voltímetro requiere una resistencia interna muy alta para que consuma una corriente insignificante cuando se conecta en paralelo. Un amperímetro requiere una resistencia interna muy baja para que introduzca una caída de tensión mínima cuando se conecta en serie, lo que permite medir la verdadera salida de corriente de la batería.
El voltímetro ideal se comporta como un circuito abierto, mientras que el amperímetro ideal se comporta como un cortocircuito. Sus valores de resistencia prácticos se eligen para minimizar el error de medición causado por la carga y la tensión de carga (burden voltage).
¿Por qué los voltímetros necesitan una alta resistencia interna?
Un voltímetro se conecta en paralelo
Un voltímetro mide la diferencia de potencial entre dos puntos, por lo que se conecta directamente a través de los terminales de la batería u otro elemento del circuito.
Debido a que las ramas en paralelo comparten la misma tensión, el voltímetro crea una ruta de corriente adicional. Su corriente es aproximadamente:
[ I_V = \frac{V}{R_V} ]
donde (V) es la tensión medida y (R_V) es la resistencia interna del voltímetro.
La alta resistencia evita la carga de la medición
Si la resistencia del voltímetro fuera baja, consumiría una corriente significativa de la batería. Esta corriente adicional cambiaría la condición de funcionamiento de la batería y podría producir una lectura de tensión inexacta.
Un voltímetro de alta resistencia consume solo una corriente muy pequeña, por lo que mide la tensión de la batería causando una perturbación mínima.
La alta resistencia es importante especialmente para las celdas de batería
Una batería puede modelarse como una fuerza electromotriz ideal (E) en serie con una resistencia interna (r). Cuando el voltímetro consume corriente, la tensión terminal medida se convierte aproximadamente en:
[ V_{\text{medido}} = E - I_V r ]
Una (R_V) más grande produce una (I_V) más pequeña, lo que reduce la caída de tensión artificial (I_Vr).
Esto es particularmente importante para celdas con una resistencia interna relativamente alta, donde incluso una pequeña corriente de medición puede crear un error de tensión notable.
¿Por qué los amperímetros necesitan una baja resistencia interna?
Un amperímetro se conecta en serie
Un amperímetro mide la corriente del circuito, por lo que debe colocarse en serie con la carga o el circuito de prueba de la batería.
Toda la corriente del circuito fluye a través del medidor. Por lo tanto, cualquier resistencia dentro del amperímetro se convierte en parte del circuito.
La baja resistencia minimiza la tensión de carga (burden voltage)
La caída de tensión introducida por el amperímetro es:
[ V_A = I R_A ]
donde (I) es la corriente medida y (R_A) es la resistencia interna del amperímetro.
Esta caída se denomina tensión de carga (burden voltage). Si (R_A) es demasiado grande, el amperímetro reduce la tensión disponible para la carga y cambia la corriente que la batería entregaría de otro modo.
La baja resistencia preserva la verdadera corriente de funcionamiento
La corriente de una batería bajo carga depende de la resistencia total del circuito, incluida la resistencia interna de la batería y todas las resistencias externas:
[ I = \frac{E}{R_{\text{carga}} + r + R_A} ]
Mantener (R_A) muy pequeña hace que la corriente medida sea más cercana a la corriente que fluiría sin el instrumento.
Esto es esencial al evaluar el rendimiento de descarga, la capacidad de potencia, la eficiencia y la resistencia interna de la batería.
Cómo afecta la resistencia del instrumento a los resultados de la prueba de batería
El voltímetro puede alterar la medición de circuito abierto
Una medición de tensión de circuito abierto tiene como objetivo determinar la fuerza electromotriz de la batería esencialmente sin carga externa.
Un voltímetro de resistencia finita crea una pequeña carga, por lo que el resultado es técnicamente una medición de tensión terminal bajo la carga del medidor en lugar de una medición de F.E.M. perfectamente descargada.
El amperímetro puede alterar la medición de la línea de carga
Durante una prueba de descarga o de corriente de pulso, el amperímetro añade una pequeña resistencia en serie.
Esa resistencia puede causar una pequeña caída de tensión adicional y reducir la corriente medida, especialmente a niveles de corriente altos. Por lo tanto, los probadores de baterías de precisión especifican la tensión de carga (burden voltage) y la precisión de medición del amperímetro.
Los errores se vuelven más significativos en ciertas pruebas
Los efectos del instrumento son más importantes cuando:
- La batería tiene una alta resistencia interna.
- La corriente de prueba es grande.
- La tensión medida es pequeña.
- La precisión requerida es alta.
- La prueba utiliza mediciones sensibles de pulso, impedancia o baja corriente.
El sistema de medición debe seleccionarse en relación con la batería y las condiciones de prueba, no solo por su rango nominal de tensión o corriente.
Entendiendo las compensaciones
La resistencia no puede tratarse como la única especificación
Un voltímetro de alta resistencia de entrada es deseable, pero la precisión también depende de la fuga de entrada, la resolución, el ruido, el ancho de banda y la protección de entrada.
De manera similar, un amperímetro de baja resistencia es deseable, pero su precisión de derivación (shunt), comportamiento térmico, clasificación de corriente y tensión de carga también son importantes.
Una resistencia muy alta puede aumentar la sensibilidad al ruido
Las mediciones de tensión de alta impedancia pueden ser más susceptibles al ruido eléctrico, corrientes de fuga, contaminación de cables e interferencias electromagnéticas.
Por lo tanto, los buenos sistemas de prueba de baterías combinan una alta resistencia de entrada con un blindaje, filtrado, protección y cableado estable adecuados.
Una resistencia de amperímetro muy baja crea restricciones prácticas
Reducir la resistencia del amperímetro disminuye la tensión de carga, pero el elemento sensor aún debe soportar la corriente de medición y disipar el calor asociado:
[ P_A = I^2 R_A ]
A corrientes altas, incluso una pequeña resistencia puede producir un calentamiento significativo y errores de medición.
No confunda la resistencia interna de la batería con la resistencia del instrumento
La resistencia interna de la batería es una propiedad de la celda y su construcción. La resistencia del instrumento es un parámetro añadido del sistema de medición.
Las pruebas precisas requieren que la contribución del instrumento sea insignificante o esté caracterizada con precisión para que no se confunda con una característica de la batería.
Cómo aplicar esto a su prueba de batería
El comportamiento correcto del instrumento depende de si la prueba mide tensión, corriente o ambos.
- Si su enfoque principal es la tensión o la F.E.M.: Utilice un voltímetro con una resistencia de entrada mucho mayor que las resistencias de la batería y del circuito de medición para que su consumo de corriente no cargue la celda.
- Si su enfoque principal es la salida de corriente: Utilice un amperímetro o un método de detección de corriente con una tensión de carga muy baja para que el sensor no reduzca materialmente la corriente de la batería.
- Si su enfoque principal es la resistencia interna: Tenga en cuenta todas las resistencias de instrumentos, cables, accesorios y contactos, ya que cada una puede influir en la respuesta de tensión observada.
- Si su enfoque principal es el rendimiento de alta corriente: Verifique la tensión de carga, los límites térmicos y la calibración del amperímetro a la corriente de prueba real.
- Si su enfoque principal es el comportamiento de baja corriente o circuito abierto: Utilice un sistema de medición de tensión de alta resistencia de entrada y controle la fuga, el ruido y el tiempo de estabilización.
Elegir correctamente la resistencia del instrumento garantiza que el sistema de prueba observe el comportamiento de la batería en lugar de crearlo.
Tabla resumen:
| Instrumento | Conexión | Resistencia ideal | Por qué es importante | Impacto de una resistencia incorrecta |
|---|---|---|---|---|
| Voltímetro | Paralelo | Muy alta (circuito abierto) | Consume corriente insignificante, evita cargar la batería | La baja resistencia causa caída de tensión y lecturas inexactas |
| Amperímetro | Serie | Muy baja (cortocircuito) | Tensión de carga mínima, preserva la corriente real | La alta resistencia reduce la corriente y altera los resultados de la prueba |
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