¿Qué es puente de Wheatstone? - Descubre cómo funciona este medidor

El puente de Wheatstone es una configuración de circuito usada en la medición precisa de resistencias de las corrientes eléctricas. Este ingenioso dispositivo permite calcular el valor de resistencias desconocidas con gran precisión. Si deseas conocer cómo funciona y las aplicaciones en las que se utiliza este puente de Wheatstone, te invitamos a seguir leyendo este artículo, para obtener más detalles sobre esta herramienta esencial en la electrónica y la metrología.

¿Qué elementos componen el puente de Wheatstone?

Es un circuito eléctrico usado para medir con precisión resistencias eléctricas desconocidas o determinar su valor en términos de otros componentes conocidos, asimismo valorar si posee voltaje o, por otro lado, una sobrecarga eléctrica. Este dispositivo se compone de cuatro resistencias, por lo general dispuestas en forma de diamante, y una fuente de alimentación.

Los cuatro componentes son:

1. Resistencia desconocida (R_x): Este es el elemento cuya resistencia queremos medir. Se ubica en uno de los extremos del puente.
2. Resistencias conocidas (R1, R2 y R3): Estas se reconocen y se utilizan para equilibrar el puente. R1 y R3 están en un brazo opuesto al de la resistencia desconocida, mientras que R2 se encuentra en el restante.
3. Galvanómetro (G): Es un instrumento sensible a la corriente eléctrica y se conecta entre los puntos A y B del puente para detectar el voltaje neto que fluye a través de la rama central.
4. Fuente de alimentación (E): Proporciona una diferencia de potencial (voltaje) que se aplica a los extremos del puente.

El objetivo es ajustar las resistencias R1, R2 y R3 de tal manera que la corriente a través del galvanómetro sea cero, logrando un equilibrio. Cuando esto sucede, se puede utilizar la Ley de Ohm y la relación entre las resistencias para calcular la resistencia desconocida R_x con precisión. Este principio es fundamental en aplicaciones de medición de resistencias, como en sensores de temperatura y galgas extensiométricas.

¿Cuáles son los tipos de resistencias eléctricas?

Existen varias clases, cada una con sus propias características y aplicaciones específicas. Aquí se presenta una explicación de las categorías más frecuentes:

¿Qué son resistencias eléctricas desconocidas?

Son componentes eléctricos cuyo valor de resistencia no se conoce con precisión y debe ser determinado a través de mediciones. Estas se usan en aplicaciones de calibración, laboratorios y pruebas eléctricas para verificar y ajustar instrumentos de medición. Su valor resistivo puede variar debido a tolerancias de fabricación o a cambios en las condiciones ambientales, lo que hace necesario medir su resistencia de manera precisa.

Para determinarla, se usan dispositivos como el puente de Wheatstone, multímetros o instrumentos de medición de precisión. Estos comparan la resistencia desconocida con una resistencia conocida y utilizan principios eléctricos para calcular el valor exacto.

Estas tienen aplicaciones en una amplia gama de industrias y campos, como la electrónica, física, metrología e ingeniería. Por ejemplo, en la calibración de sensores de temperatura, se utilizan resistencias desconocidas para verificar la precisión de los dispositivos de medición. Además, en la investigación científica, estas se emplean para crear condiciones controladas en experimentos eléctricos.

¿Qué son resistencias eléctricas de valor conocido?

Son componentes electrónicos cuyo valor de resistencia es conocido con precisión y está especificado por el fabricante. Estas se elaboran para tener medidas de resistencia específicas y se utilizan en circuitos electrónicos con fines de control, regulación y división de voltaje o corriente. Son fundamentales en la electrónica debido a su capacidad para proporcionar valores de resistencia predecibles y repetibles.

Los valores de resistencia de las resistencias de valor conocido se expresan en ohmios (Ω) y suelen estar marcados en su superficie con códigos de colores o valores numéricos. Estos varían desde fracciones de ohmio hasta megohmios, lo que permite su ejecución en una amplia gama de circuitos.

Las resistencias de valor conocido se utilizan en diversas aplicaciones, como por ejemplo la limitación de corriente en LEDs, división de voltaje en circuitos de retroalimentación, filtración de señales en circuitos de audio y carga en fuentes de alimentación reguladas. Además, son componentes esenciales en la calibración de instrumentos de medición y equipos de prueba, ya que se pueden utilizar como patrones de resistencia para verificar la precisión de otros dispositivos de medición.

Además de las resistencias mencionadas, también podemos encontrar las siguientes:

1. Resistencias de película de carbono: Estas tienen una película delgada de carbono sobre un sustrato cerámico. Son económicas y se utilizan en aplicaciones generales con requisitos de precisión moderados.
2. Resistencias de película metálica: Similar a las de película de carbono, pero utilizan una de metal, como níquel-cromo. Son renombradas por su elevada exactitud y su constante estabilidad con el paso del tiempo.
3. Resistencias de película gruesa: Estas son más anchas. Son adecuadas para aplicaciones de alta potencia y resistencia a la sobrecarga.
4. Resistencias de óxido metálico: Están compuestas de un núcleo de cerámica con una capa de óxido metálico. Ofrecen una buena estabilidad térmica y una gran capacidad de disipación de calor, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de alta potencia.
5. Resistencias de alambre enrollado: Consisten en un alambre resistivo enrollado en un núcleo cerámico. Son conocidas por su alta precisión y capacidad para manejar corrientes elevadas.
6. Resistencias SMD (montaje en superficie): Son componentes compactos diseñados para montarse en la superficie de una placa de circuito impreso (PCB). Vienen en diversos tipos, como resistencias de película delgada y de óxido metálico SMD.
7. Potenciómetros: Son resistencias variables que se pueden calibrar para cambiar su valor de resistencia. Se utilizan para ajustar el nivel de voltaje o corriente en un circuito.
8. Varistores: Aunque no son resistencias en el sentido tradicional, son dispositivos cuya resistencia varía con la tensión aplicada. Se emplean para resguardar circuitos de excesos de voltaje.
9. Resistencias de montaje en núcleo de carbón: Estas resistencias usan un núcleo de carbón. Se utilizan en aplicaciones donde se requiere una alta potencia disipada y durabilidad.
10. Resistencias de montaje en chasis: Estas están diseñadas para montarse en una carcasa y se utilizan en procesos industriales y de alta potencia.

La elección del tipo de resistencia depende de las necesidades específicas de la aplicación, como por ejemplo la potencia requerida, estabilidad, precisión y espacio disponible en el circuito.

¿Qué son los brazos del puente?

Son las cuatro ramas que componen la configuración básica de este dispositivo de medición de resistencia eléctrica. Cada uno de estos brazos desempeña un papel fundamental en la operación del puente y se distingue por su posición y función. Aquí está una descripción de los brazos del puente de Wheatstone:

1. Brazo de la resistencia desconocida (R_x): Este brazo incluye la resistencia eléctrica cuyo valor deseamos medir o determinar. La resistencia desconocida, R_x, es el componente que queremos evaluar y es esencial para la operación del puente.
2. Brazo de la resistencia conocida (R1): En este brazo se coloca una resistencia reconocida y calibrable, R1. Su valor se distingue con precisión y se utiliza para equilibrar el puente, lo que significa ajustar R1 hasta que se alcance el equilibrio, es decir, cuando no fluye corriente a través del galvanómetro.
3. Brazo de referencia (R2): En este brazo se encuentra otra resistencia conocida, R2, que sirve como mención para comparar con la resistencia desconocida. R2 se conecta en paralelo con la resistencia desconocida.
4. Brazo de compensación (R3): R3 es una resistencia conocida y ajustable que se coloca en el cuarto brazo del puente, opuesto al brazo de la resistencia desconocida. Su función es equilibrar el puente junto con R1 para lograr que no circule corriente por el galvanómetro.

Cuando el puente de Wheatstone está en equilibrio, la relación entre las resistencias en los brazos R1, R2, R3 y la resistencia desconocida R_x permite calcular el valor preciso de R_x. Este principio se usa en aplicaciones de medición de resistencias y en la construcción de instrumentos de precisión.

¿Por qué la corriente eléctrica no fluye en el puente de Wheatstone?

Su objetivo es lograr un estado de estabilidad en el cual la energía eléctrica no corra a través del galvanómetro. Este equilibrio es esencial para que el puente funcione como un dispositivo de medición de resistencia. Para comprender por qué la corriente no fluye en esta configuración, es necesario considerar los principios fundamentales de la ley de Ohm y cómo se aplican en el puente de Wheatstone.

La ley de Ohm establece que la corriente eléctrica (I) en un circuito es igual a la diferencia de potencial (V) ejercida a través del recorrido dividida por la resistencia (R) del trayecto, es decir, I = V / R.

Cuando el puente de Wheatstone está en equilibrio, las resistencias en los brazos R1, R2, R3 y la resistencia desconocida R_x están configuradas de tal manera que la diferencia de potencial en el punto del puente es cero. En otras palabras, no hay una caída de voltaje neta por medio de la rama central del puente. Esto significa que, según la ley de Ohm, la corriente que fluye a través del galvanómetro debe ser cero, ya que no hay una diferencia de potencial para impulsar la energía.

Para lograr este equilibrio, se ajustan las resistencias R1 y R3 hasta que la corriente a través del galvanómetro se reduce a cero, indicando que el puente está en equilibrio y que la resistencia desconocida R_x se puede calcular con precisión.

La clave para que la corriente eléctrica no fluya en el puente de Wheatstone es la configuración cuidadosa de las resistencias para igualar las caídas de voltaje en las ramas opuestas del puente, lo que anula la corriente en el galvanómetro y permite mediciones precisas de resistencia.

¿Por qué el puente de Wheatstone es un instrumento de medición tan preciso?

Este se reconoce por su alta precisión en la evaluación de resistencias eléctricas. Esto se debe a varias razones clave que hacen que este instrumento sea tan preciso:

1. Equilibrio de corriente nula: El principio fundamental del puente de Wheatstone implica alcanzar un estado de estabilidad en el cual la energía a través del galvanómetro es cero. Esto se logra ajustando las resistencias conocidas R1 y R3 hasta que se equilibra la caída de voltaje en las dos ramas opuestas del puente. El equilibrio de corriente nula significa que la resistencia desconocida R_x se encuentra en proporción exacta con las resistencias conocidas, lo que permite mediciones precisas.
2. Alta sensibilidad: El puente de Wheatstone es sensible a los cambios en la resistencia desconocida. Incluso pequeñas desviaciones del equilibrio se reflejarán en una corriente detectable en el galvanómetro, lo que facilita la detección de cambios en la resistencia desconocida con alta precisión.
3. Resistencias precisas: Para obtener mediciones precisas, las resistencias utilizadas en el puente deben tener valores conocidos y precisos. Los avances en la fabricación de resistencias de alta calidad han contribuido a la precisión del puente de Wheatstone.
4. Versatilidad: Este es adaptable y se puede utilizar para medir una amplia gama de resistencias, desde valores muy bajos hasta muy altos, lo que lo hace útil en una variedad de aplicaciones.
5. Método de medición directa: A diferencia de algunos otros métodos de medición de resistencia que dependen de cálculos complejos. El puente de Wheatstone ofrece una medición directa de la resistencia desconocida sin necesidad de algoritmos complicados.

El puente de Wheatstone combina un diseño ingenioso con la sensibilidad, exactitud y versatilidad necesarias para medir resistencias eléctricas de manera precisa. Esta precisión lo convierte en un utensilio invaluable en campos como la metrología, la investigación científica y la calibración de herramientas.

¿Qué instrumentos llevan incorporado un puente de Wheatstone?

Aunque no es un dispositivo por sí mismo, se encuentra acoplado en varios artefactos de medición para permitir cálculos precisos de resistencias. Aquí hay algunos ejemplos de instrumentos que pueden llevar incorporado un puente de Wheatstone:

1. Multímetros: Muchos multímetros digitales de alta calidad incluyen una función de medición de resistencia que utiliza un puente de Wheatstone interno. Esto permite a los técnicos y electricistas medir resistencias con precisión.
2. Galgas extensiométricas: En aplicaciones de medición de deformación y fuerza, las galgas extensiométricas a menudo utilizan un puente de Wheatstone para medir los cambios en la resistencia eléctrica inducidos por las deformaciones. Esto se emplea en campos como la ingeniería estructural y la fabricación de detectores de presión y carga de salida.
3. Medidores de temperatura: Algunos sensores como los termistores y los RTD (resistencias de temperatura) usan puentes de Wheatstone. Esto para medir con precisión las variaciones de resistencia causadas por cambios en la temperatura. Se aplica en dispositivos de control de ambiente y sistemas de monitorización ambiental.
4. Sensores de presión: A menudo usan puentes de Wheatstone para medir las pequeñas variaciones de resistencia inducidas por la presión. Esto se emplea en aplicaciones como la medición de presión en la industria automotriz y aeroespacial.
5. Balanzas electrónicas: Estas utilizan puentes de Wheatstone en sus celdas de carga para medir con precisión la masa de objetos. Esto es esencial en aplicaciones comerciales e industriales, como la industria alimentaria y la farmacéutica.