2.4.4. Medida de la tensión eléctrica

graph TD A["Medida de Tensión Eléctrica"] --> B["Voltímetro Directo"] A --> C["Ampliación de Rango"] A --> D["Medida Indirecta"] B --> B1["Conexión en PARALELO obligatoria"] B --> B2["Resistencia Interna muy alta (Rv -> Infinito)"] C --> C1["Resistencia Multiplicadora en serie"] D --> D1["Transformador de Tensión (TV) en CA"] D --> D2["Sondas de alta tensión y atenuadoras"] style A fill:#2c3e50,color:#fff style B fill:#2980b9,color:#fff style C fill:#27ae60,color:#fff style D fill:#8e44ad,color:#fff

Definición de tensión eléctrica y método de conexión en paralelo

La tensión eléctrica o diferencia de potencial representará la diferencia de energía potencial por unidad de carga eléctrica existente entre dos puntos concretos de un circuito activo. Para registrar esta magnitud física sin alterar el estado operativo del receptor, se utiliza un voltímetro. El principio fundamental de esta medida exige conectar el instrumento de medición estrictamente en paralelo (o derivación) con el componente, bornes o tramos de línea cuyo voltaje deseamos determinar (por ejemplo, entre fase y neutro, o entre dos fases activas de distribución).

A diferencia del amperímetro, el circuito interno de un voltímetro de calidad debe poseer una resistencia interna extremadamente elevada ($R_v \a≈ \infty$), que en los multímetros digitales actuales está normalizada en $10\ \text{M}Ω$ de impedancia de entrada. Esta alta resistencia tiene como propósito físico evitar que circule una corriente significativa por el interior del instrumento de medida. De este modo, se minimiza el denominado error de inserción, impidiendo que el aparato funcione como una derivación indeseada que degrade la tensión real de la carga o que provoque la perturbación de lazo en redes de baja potencia o control electrónico.

Ampliación del rango mediante resistencia multiplicadora

Para medir tensiones que superan el límite físico del galvanómetro de bobina móvil e imán permanente de un voltímetro analógico clásico, se recurre al acoplamiento de una resistencia multiplicadora conectada en serie con el instrumento. Esta resistencia absorbe la mayor parte del voltaje a ensayar, limitando el paso de corriente a la intensidad admisible por el movimiento móvil:

La resistencia multiplicadora ($R_{mult}$) se conecta en serie y su valor óhmico exacto se deduce aplicando de forma directa la ley de Ohm en serie, dividiendo la caída de tensión excedente por la corriente de fondo de escala del galvanómetro ($I_v$):

$$R_{mult} = R_v \cdot (m - 1)$$

Donde $R_v$ es la resistencia interna de la bobina del voltímetro, y $m = V / V_v$ es el factor de multiplicación de escala deseado (la relación exacta entre el voltaje total medido $V$ y la tensión máxima que tolera el voltímetro por sí solo $V_v$). Estas resistencias de ampliación deben ser de película metálica de alta precisión y estabilidad térmica para evitar derivas por calentamiento en el interior del armario.

Medida de tensión en CA: Transformadores de Tensión (TV)

En cuadros de distribución generales y armarios eléctricos de media y alta tensión, la conexión directa de voltímetros a las barras de potencia activa representa un grave peligro para las personas y los propios materiales debido a la falta de aislamiento físico. Para estas aplicaciones industriales, se utilizan Transformadores de Tensión (TV) de medida (también llamados transformadores de potencial).

El primario del transformador de tensión se conecta en paralelo directo a la línea de potencia de alta tensión, mientras que el devanado secundario reduce el voltaje de forma proporcional a un nivel seguro y estandarizado de $110\ \text{V}$ o $100\ \text{V}$ de corriente alterna a fondo de escala (por ejemplo, una relación de transformación marcada como $10.000/110\ \text{V}$). El circuito secundario de un transformador de tensión se puede conectar a múltiples instrumentos en paralelo (voltímetros, convertidores de medida, bobinas voltimétricas de wattímetros). Al contrario que los transformadores de intensidad, el secundario de un transformador de tensión jamás debe ser cortocircuitado, ya que esto provocaría una corriente masiva que quemaría de inmediato el transformador.

Figura: Técnicas de conexión y medida de la tensión eléctrica. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA

Categorías de seguridad e impedancia en baja tensión

Al efectuar diagnósticos y comprobar los niveles de tensión en los armarios eléctricos, el técnico debe cerciorarse de la categoría de sobretensión del multímetro de acuerdo con la norma de seguridad UNE-EN 61010-1. Los voltímetros están diseñados para resistir transitorios de tensión debidos a la conmutación de cargas inductivas o rayos sin explotar:

Para medir en el interior de cuadros generales de distribución aguas abajo del transformador de acometida, se exige el uso obligatorio de voltímetros portátiles homologados para CAT III 600V o CAT III 1000V. Asimismo, el instalador cualificado debe tener presente que en medidas de tensión sobre líneas que presentan altas impedancias o señales parásitas de acoplamiento capacitivo (llamadas tensiones fantasma), es recomendable configurar el polímetro en modo de baja impedancia de entrada (LoZ). Esta función introduce una baja impedancia de carga temporal que drena a tierra estas cargas residuales parásitas de los conductores paralelos, logrando una medición de tensión real y libre de lecturas inducidas erróneas.

Figura: Ensayo en frío de la resistencia óhmica de la bobina de control de un contactor. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA

🐍 Código Python: Calculador de Resistencias Multiplicadoras de Voltímetro



# Script en Python para el cálculo físico de la resistencia multiplicadora

# en serie requerida para ampliar el rango de escala de un voltímetro.



def calcular_resistencia_multiplicadora(r_voltimetro, v_fondo_escala, v_deseado_escala):

    print("? CÁLCULO DE RESISTENCIA MULTIPLICADORA DE ESCALA:")

    print("=" * 60)

    

    # Validar que la tensión requerida sea mayor a la de fondo directo

    if v_deseado_escala <= v_fondo_escala:

        print("💡 Error: La tensión de escala debe ser superior a la del voltímetro.")

        return

        

    # Factor de escala m = V / Vv

    factor_escala = v_deseado_escala / v_fondo_escala

    

    # Calcular resistencia multiplicadora en serie (Rmult = Rv * (m - 1))

    r_multiplicadora = r_voltimetro * (factor_escala - 1)

    

    # Corriente de consumo a fondo de escala (Iv = Vv / Rv)

    corriente_fondo_a = v_fondo_escala / r_voltimetro

    

    # Potencia disipada por la resistencia multiplicadora (P = V_caida * I)

    v_caida_resistencia = v_deseado_escala - v_fondo_escala

    potencia_disipada_w = v_caida_resistencia * corriente_fondo_a

    

    print(f"💡 Resistencia del instrumento (Rv): {r_voltimetro / 1000:.2f} kOhm")

    print(f"💡 Voltaje de fondo directo (Vv): {v_fondo_escala} V")

    print(f"💡 Rango total de escala ampliado (V): {v_deseado_escala} V")

    print(f"💡 Factor de multiplicación de escala (m): {factor_escala:.1f} veces")

    print("-" * 60)

    print(f"? VALOR DE RESISTENCIA MULTIPLICADORA (Rmult): {r_multiplicadora / 1000:.3f} kOhm")

    print(f"💡 Tensión absorbida por la multiplicadora: {v_caida_resistencia} V")

    print(f"💡 Potencia mínima de la resistencia: {potencia_disipada_w:.2f} W")

    print("=" * 60)



# Simulación: Galvanómetro de 20 kOhm/V con fondo de 10 V para escala de 500 V

calcular_resistencia_multiplicadora(r_voltimetro=200000.0, v_fondo_escala=10.0, v_deseado_escala=500.0)

Este código simula el comportamiento ohmico de divisores de tensión analógicos empleados en metrología.

🔧 Laboratorio Práctico: Caída de Tensión y Medida en Extremos de Línea

Durante la puesta en servicio de un circuito de climatización monofásico alimentado a 230 V, medimos la tensión en bornes del compresor con el voltímetro del cuadro. La línea posee una longitud de 60 metros con conductores unipolares de cobre de 6 mm² aislados con PVC. El motor demanda una intensidad nominal permanente de 25 A a cos phi unitario. Para predecir el voltaje exacto que registrará el voltímetro debido a la pérdida en la línea, abrimos la calculadora técnica:

Abre el módulo de Sección de Cables en el asistente REBT Calc.
Introduce los parámetros de cálculo correspondientes:
- Tensión del Sistema: 230 V (Monofásico)
- Corriente de Cálculo (Ib): 25 A
- Longitud del Circuito: 60 metros
- Sección del Conductor: 6 mm²
- Aislamiento y Método: PVC / Canalización B1
Haz clic en calcular y observa el valor de la caída de tensión en voltios y el porcentaje residual del sistema.

📂 Abrir Módulo de Sizing en REBT Calc

Pregunta de Laboratorio:

Si tenemos una línea monofásica de 230 V, longitud de 60 metros, corriente de 25 A y sección de 6 mm² PVC, ¿cuál es la caída de tensión real (%) obtenida en la calculadora?

📋 Caso Práctico: Conexión del voltímetro

Contexto: Durante las verificaciones de puesta en marcha de un cuadro eléctrico secundario, se requiere medir la tensión entre los bornes del contactor principal en carga.

Pregunta: ¿Cómo debe conectarse físicamente el voltímetro y qué propiedad interna del instrumento de medida garantiza la precisión en la prueba?

📋 Caso Práctico: Resistencia multiplicadora analógica

Contexto: En un taller mecánico se requiere ampliar el rango de medida de un voltímetro analógico de corriente continua con resistencia interna de 10 kOhm.

Pregunta: ¿Cómo debe acoplarse físicamente la resistencia de ampliación y bajo qué principio matemático actúa en el divisor de tensión?

📋 Caso Práctico: Seguridad y categoría de medida

Contexto: Te asignan medir los niveles de tensión en las pletinas generales de entrada de corriente trifásica de 400 V directamente en las bornas de la acometida exterior.

Pregunta: ¿Qué categoría de seguridad mínima según UNE-EN 61010-1 debe certificar el voltímetro para garantizar la protección del técnico?