Apuntes de electrónica: El multímetro

Un multímetro, también denominado polímetro​ o tester, es por antonomasia el instrumento de medida indispensable para un electrónico o electricista, y por extensión, a cualquiera que realice algún trabajo que implique electricidad, ya sea por hobby o por realizar una pequeña reparación doméstica.

Existen dos tipos de multímetros, los digitales y los analógicos. Mientras que los primeros basan su funcionamiento en cuantificar la magnitud a medir, y por tanto podemos decir que realmente están midiendo, los segundos realizan una representación visual de la magnitud estudiada y somos nosotros quienes realizamos la medición en última instancia.

Lo que sigue es largo, aviso, empezaré haciendo una breve explicación sobre los multímetros analógicos y luego explicaré en profundidad los digitales. Me sentiré muy honrado, agradecido y orgulloso de ti si llegas al final… el premio para los dos sería que lo entendieras y hubieras aprendido algo.

Multímetros analógicos

Los aparatos analógicos son, como no podía ser de otra manera, los primeros en fabricarse, los más antiguos y los menos usados hoy en día.

Los multímetros analógicos tienen una aguja sobre una escala y de esta manera podemos leer la medida. Es en este sentido en el que declaraba que el instrumento de medida no mide, somos nosotros quienes realizamos la medida, algo similar a medir con una regla, no mide la regla, sino que nosotros utilizamos la regla para medir.

Como se ve en la imagen los multímetros analógicos suelen llevar un espejo debajo de la aguja, esto es para evitar errores de lectura por paralaje. Los aficionados a la astronomía o a la fotografía panorámica estarán familiarizados con el término. Para explicarlo lo más sencillo es cerrar un ojo, tapar un objeto lejano con un dedo e intercambiar el ojo cerrado con el abierto: el objeto que estaba tapado ahora es perfectamente visible. Esto sucede por cambiar el punto de vista.

El principio de funcionamiento es muy simple: un imán en un eje de rozamiento mínimo, idealmente nulo. El imán lleva solidario la aguja. Alrededor del imán tenemos una bobina que recorre una corriente eléctrica. Según la intensidad de dicha corriente la bobina generará un campo magnético que rotará el imán y por tanto la aguja solidaria.

El multímetro lleva una serie de circuitos y un selector que permite seleccionar la magnitud y la escala adecuadas a la medida a realizar.

En general los instrumentos eléctricos/electrónicos de medida analógicos son bastante imprecisos, no por el instrumento en sí, sino por que hay que ser muy meticuloso al realizar la medida (somos quienes medimos). sin embargo, en tableros de instrumentos son ideales pues sin tener que saber la medida exacta podemos interpretar de forma rápida si una magnitud está en márgenes adecuados o no.

Multímetros digitales

En los multímetros digitales se reemplaza la escala rotulada y la aguja por un display en el que podemos leer directamente la medida. En los primeros aparatos digitales tenían un selector de escala, hoy en día la mayoría de multímetros digitales seleccionan de manera automática la escala, teniendo que indicarles únicamente la magnitud a medir y el aparato hace el resto.

El multímetro digital cuantifica la magnitud a medir y nos devuelve la medida realizada directamente en un número y su escala: es el aparato el que mide, no nosotros. Por esta razón, por medir el aparato, los multímetros digitales se pueden considerar en general más precisos: minimizan al máximo los errores de lectura. Sin embargo, al devolvernos un número, paradójicamente nos cuesta más trabajo determinar si una magnitud está dentro del rango correcto o no, por eso no se suelen ver indicadores digitales en los paneles de control salvo en medidas auxiliares o con ayudas como alarmas de algún tipo.

Funcionamiento de los multímetros digitales

Resulta obvio, o tal vez no, que para medir un multímetro digital ha de convertir una señal analógica, continua, en un número cuantificado, finito. Mientras en un multímetro analógico la aguja puede indicar 3.3333333V (aunque seamos incapaces de leer dicha medida con esa precisión) el multímetro digital tiene un número limitado de dígitos, normalmente cuatro, por lo que nos indicará únicamente 3.333V (NOTA: utilizo la notación inglesa: el punto indica la separación de la parte entera de los decimales).

Paremos un momento. He indicado que los multímetros analógicos son menos precisos que los digitales. Sin embargo también he aseverado que un multímetro analógico nos indicará con precisión la magnitud 3.3333333V mientras que uno digital solo marcará 3.333V. Pero en una escala analógica somos incapaces de determinar si la medida es 3.3V o 3.33V, o nos será harto complicado hacerlo, sin embargo en un aparato digital solo tenemos que leer la medida. Ya lo dije, el problema de la precisión en los multímetros analógicos es que somos nosotros quienes medimos y somos pésimos haciéndolo, simplemente porque tenemos unos sentidos insuficientes para hacerlo mejor.

Retomando, un multímetro digital debe convertir una señal continua en un número, lo que se denomina cuantificar: expresar numéricamente una magnitud. ¿Cómo lo hace?

Si os digo que se utiliza un convertidor analógico/digital la mayoría me responderéis que es obvio, aunque no sepáis cómo funciona o conocimiento de su existencia, aunque todos los días utilizamos unos cuantos. Lo que os voy a explicar es cómo funciona un tipo de convertidor A/D, porque hay de varios tipos.

El convertidor A/D más sencillo es el de rampa única, luego tenemos los de rampa doble y… bueno, ya os imagináis que la cosa se va complicando según queremos ciertas prestaciones: velocidad, precisión…

Un convertidor A/D de rampa única se compone principalmente y de forma simplificada de cuatro elementos:

• Un reloj
• Un generador de rampa
• Un comparador
• Un contador

El reloj no es lo que cualquier persona normal entiende por reloj. En electrónica un reloj es un circuito que genera pulsos a un ritmo determinado. Como si de un metrónomo se tratara.

El generador de rampa es un circuito que genera una tensión que va aumentando a un ritmo fijo. En general se utiliza el término rampa, aunque en realidad se utilizan distintos tipos de señal: diente de sierra (la auténtica rampa), en forma de escalera… Para simplificar nos imaginaremos una señal en forma de escalera: empezando de 0 cada vez que recibe un pulso del reloj aumenta una medida fija la tensión, como si subiera una escalera. Cuando llega al máximo, vuelve a 0. Este máximo es el nivel máximo que vamos a admitir en nuestro comparador.

El comparador es como suena: compara la señal generada por el generador de rampa con la señal de entrada (en realidad una muestra) y reinicia el proceso de medición cuando ambas son iguales, más o menos, recordemos que no es una rampa como tal, es una escalera. Lo normal es que se de por finalizada la conversión cuando la rampa supera la señal de entrada.

El contador simplemente se dedica a contar los pulsos del reloj que tarda el generador de rampa en llegar a igualar/superar la señal de entrada.

El contador es una de las piezas más importantes del convertidor A/D ya que aunque no influye directamente en su precisión si que la determina de forma muy decisiva. Tanto es así que una de las principales características que se han de mirar de un multímetro digital es el límite del contador del convertidor A/D. Muestra de esta importancia es que es muy raro que no se mencione de forma explícita este número en las especificaciones de los aparatos.

Pero más que decirlo os lo voy a explicar, bueno, os voy a explicar qué es la resolución y la precisión y cómo se relacionan ambas con el contador.

Resolución de los multímetros digitales

La resolución es un concepto que entendemos de forma intuitiva en una regla. Si tenemos una regla que tiene una marca por cada milímetro podremos medir con ella con una resolución de un milímetro. Si tenemos una cinta métrica de 30m, veremos que viene marcada en centímetros, una marca por cada centímetro, por tanto podemos medir con una resolución de un centímetro. Podemos intentar determinar si es un poco más o un poco menos, pero al final estaremos midiendo en centímetros o en milímetros: la resolución es la distancia entre las marcas de la regla o de la cinta métrica.

También es fácil de ver que una resolución más pequeña es mejor que una resolución más grande, nos permite medir con mayor precisión: el error cometido es más pequeño. No quiero mezclar conceptos, pero quiero que se vea claramente como resolución y precisión son dos conceptos relacionados. Si nos equivocamos al contar las marcas de una cinta métrica marcada en centímetros (resolución de 1cm) el error será de un centímetro arriba o abajo (±1cm), si la resolución es de 1mm (regla marcada en milímetros) el error será de ±1mm (un milímetro arriba o abajo).

Podemos ver la resolución como la sensibilidad: aumentamos la sensibilidad conforme la resolución es más pequeña. Una resolución más pequeña significa que el aparato es sensible a cambios más pequeños en la medida: es más sensible.

Por tanto, y resumiendo: la resolución es la distancia entre las marcas de la regla, cuanto más pequeña sea la resolución más sensible es el aparato y con más precisión podremos medir y por tanto mejor.

En un multímetro digital nuestra regla es el contador y la distancia entre marcas son los escalones del generador de rampa, que en nuestro ejemplo tiene forma de escalera.

La resolución, en los multímetros digitales, se relaciona con el contador del convertidor A/D y la escala o rango utilizados de la siguiente manera:

Resolución = Escala / Pasos contador

Como he dicho la resolución es la distancia entre las marcas de nuestra regla, como la regla, la escala, tiene una longitud fija, cuantas más marcas pongamos, más cuentas tenga el contador, más pequeña será la distancia entre cuentas y mejor será la resolución.

Acabo de decir que la escala tiene una longitud fija. La realidad es que tenemos distintas escalas: 2, 20, 200… y se utiliza la más adecuada a la magnitud a medir, como vemos lo que no cambia realmente es el número de pasos, el número de cuentas del contador.

El contador cuenta de 0 a un máximo, que se suele denominar numero de cuentas. Los contadores más comunes son de 2000, 4000 o 6000 cuentas. aunque también hay contadores de 10000 y 20000 cuentas.

Pongamos algunos ejemplos (suponemos que medimos tensión):

La tabla muestra como aumentar el número de cuentas, el tamaño del contador, aumenta la resolución, disminuye la distancia entre las marcas de la regla, los escalones de la rampa se hacen más pequeños.

En un multímetro con un contador hasta 2000 para medir 3V tenemos que utilizar la escala de 20V, pues la de 2V se queda pequeña, y la resolución que tenemos es de 10mV. En un multímetro de 10000 cuentas en la escala de 10V tenemos una resolución de 1mV y podremos medir 3V con una mayor resolución/sensibilidad.

Precisión en los multímetros digitales

Todo instrumento de medida tiene una precisión determinada por varios factores. En los multímetros digitales son dos los factores a tener en cuenta:

• Error de medida respecto del valor a medir: es un error relativo o proporcional expresado en un porcentaje respecto del valor medido. En multímetros de precisión son típicos valores inferiores al 2% dependiendo de la escala y magnitud a medir.
• Error de conteo: es un error absoluto expresado en dígitos. Es una cifra absoluta que se suma al error de medida. En multímetros de precisión son típicos valores inferiores a 5, también dependiendo de escala y magnitud utilizadas.

El error relativo es debido, fundamentalmente, a las tolerancias en los componentes que constituyen el multímetro.

El error de conteo, o absoluto, es inherente al método utilizado para la conversión A/D. Recordemos. Se toma una muestra y contamos el número de escalones de la rampa que hay que subir para igualar la muestra con la rampa. Si los escalones de la rampa son más pequeños de lo que deben, contaremos pulsos de más, sin embargo, si son más grandes contaremos pulsos de menos. El error absoluto nos dice cuantos pulsos, escalones, podemos contar de más o de menos.

La precisión de una escala se expresa ±(E_R% + E_Ad), donde E_R es el error relativo y E_A el error absoluto. Por ejemplo, una precisión del 1% con un error de conteo de 5 dígitos se escribiría: ±(1% + 5). En ocasiones se especifica el error de conteo como dígitos (5dig, 5d) o cuentas (5count), es indiferente y siempre hacen referencia al mismo concepto.

A destacar que el error relativo solo toma relevancia cuando las medidas son grandes. Un porcentaje de una cantidad pequeña es otra cantidad aún más pequeña.

El error de conteo, que yo expreso como absoluto tiene mucha importancia cuando medimos cantidades pequeñas: cercanas a cero. Es importante porque afecta de manera directa a la última cifra que muestra el display.

Para calcular el error en una escala determinada se multiplica su resolución por el error de conteo.

Calculemos el error del multímetro para varios casos suponiendo una precisión de ±(1% + 5) en la escala de 2A con resolución de 1mA. El error debido al conteo es fijo e igual a 5mA (1mA por 5):

Se aprecia como cuando la medida es comparable al error de conteo no podemos asegurar de modo alguno que lo que nos muestra el display del multímetro corresponda con la realidad: no tenemos suficiente precisión para medir y necesitamos reducir la escala para aumentar la resolución y disminuir el error debido al conteo.

Cuando la medida es pequeña el error porcentual es despreciable comparado con el error de conteo. Sin embargo cuando la medida es grande, el error porcentual es mayor que el error por conteo. Aun así, debido a que la medida es grande y el error porcentual es pequeño (normalmente menor al 2%), se suele poder ignorar dicho error.

Como norma buscaremos precisión mejor o similar a ±(2% + 5), hay que tener en cuenta que es normal tener precisiones bajas en escalas como capacidad e inductancia, por ejemplo, del orden de ±(4% + 8). Sin embargo un error por debajo del 10% puede ser aceptable si nos basta una medición aproximada. No recomendaría un multímetro con un error mayor al 10% en las escalas de tensión y corriente. El error de conteo procuraremos que sea inferior a 10, siendo recomendable estar por debajo del 5.

Una vez más los requerimientos de precisión dependerán del uso que hagamos del aparato.

Seguridad

No me gustaría terminar esta breve introducción a los multímetros digitales sin explicar un poco sobre la seguridad. Hay que tener siempre en cuenta que la electricidad mata, tenemos que tener cuidado. Con las medidas de seguridad adecuadas y teniendo cuidado la posibilidad de un accidente es mínima, pero hay que tenerlo presente.

Desde hace muchos años los multímetros han de seguir unas normativas que establecen qué uso podemos dar a los aparatos según el aislamiento con el que están fabricados.

Así se establecen cuatro categorías según la aplicación o uso previsto (info en Wikipedia):

1. Categoría I: sería los circuitos electrónicos, cualquier cachivache a pilas, baterías y cosas similares.
2. Categoría II: hablaríamos de las cosas que se enchufan en casa: electrodomésticos, lámparas.
3. Categoría III: en esta categoría estaría la instalación y el cuadro eléctrico de la vivienda, incluido el contador de la misma.
4. Categoría IV: esta categoría se utiliza para la distribución eléctrica de baja tensión, la entrada de la instalación eléctrica del edificio.

Es importante porque es obligatorio que los multímetros indiquen para qué categoría tienen aislamiento, para qué uso están fabricados, y para qué tensiones están pensados. Así un multímetro CAT-II 600V/CAT-III 300V podremos utilizarlo con garantías únicamente en electrodomésticos (hasta tensiones de 600V) y en la instalación de la vivienda hasta tensiones de 300V.

Sobre las categorías de sobretensión os recomiendo visitar el siguiente enlace, tiene una explicación detallada y suficientemente entendible por todos para aclarar cualquier duda que mi extremadamente simplificada explicación habrá dejado sin cubrir, que serán muchas: Categorías de sobretensión.

Mis multímetros

Dado que estudié electrónica tengo no uno, sino varios multímetros y no sólo los mostraré aquí, sino que haré un análisis de cada uno de ellos, o tal vez no sea tanto un análisis como una batalla…

Esta entrada está basada en el correspondiente post del foro DomoElectra.