Caso práctico: Puente de Wheatstone desequilibrado

Prototipo de Puente de Wheatstone desequilibrado (Maker Style)

Nivel: Medio. Analice la variación de voltaje diferencial en un puente resistivo modificando un sensor.

Objetivo y caso de uso

Construirá un circuito de puente de Wheatstone utilizando tres resistencias fijas y una resistencia variable para simular un sensor resistivo. Este circuito convierte un cambio en la resistencia en una salida de voltaje diferencial medible.

Por qué es útil:
* Detección de precisión: Utilizado en celdas de carga (básculas) y galgas extensiométricas donde los cambios de resistencia son minúsculos.
* Medición de temperatura: Fundamental para leer RTD (Detectores de Temperatura de Resistencia) y termistores.
* Calibración a cero: Permite a los sistemas establecer un «punto nulo» (salida de 0 V) para cancelar errores de offset antes de tomar mediciones.
* Detección de señales pequeñas: Filtra el ruido de la fuente de alimentación común a ambas ramas del puente (Rechazo en Modo Común).

Resultado esperado:
* Estado equilibrado: Cuando la resistencia variable coincide con la relación de la rama fija, el voltaje diferencial (VAB) marca exactamente 0 V.
* Estado desequilibrado: A medida que la resistencia cambia, VAB se vuelve positivo o negativo dependiendo de la dirección del cambio.
* Sensibilidad: Observará la relación no lineal entre el cambio de resistencia (\Delta R) y el voltaje de salida (VOUT).

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con la Ley de Ohm (Medio).

Materiales

  • V1: Fuente de voltaje de 5 V DC, función: alimentación principal.
  • R1: Resistencia de 1 kΩ, función: rama de referencia superior.
  • R2: Resistencia de 1 kΩ, función: rama de referencia inferior.
  • R3: Resistencia de 1 kΩ, función: rama de medición superior.
  • R4: Potenciómetro de 2 kΩ (lineal), función: resistencia variable (simulando un sensor como un termistor o galga extensiométrica).

Guía de conexionado

Este circuito consta de dos divisores de voltaje paralelos conectados a una fuente común. La salida se toma diferencialmente entre los puntos centrales de estos divisores.

  • V1 se conecta entre el nodo VCC (positivo) y el nodo 0 (GND).
  • R1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo VA (Punto de Referencia).
  • R2 se conecta entre el nodo VA y el nodo 0.
  • R3 se conecta entre el nodo VCC y el nodo VB (Punto de Medición).
  • R4 se conecta entre el nodo VB y el nodo 0.
  • Medición: La salida VOUT se mide entre el nodo VA y el nodo VB.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Unbalanced Wheatstone Bridge
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ SOURCE ]                     [ BRIDGE PROCESSING ]                     [ OUTPUT ]

                               +-----------------------------+
                               |   Reference Divider (Left)  |
                            +->|  (Fixed Ratio: R1 / R2)     |--(Node VA)-->+
                            |  |  [ R1: 1 kΩ ] + [ R2: 1 kΩ ]  |              |
                            |  +-----------------------------+              |
                            |                                               v
[ V1: 5 V DC ] --(Supply)--> +                                          [ V_OUT ]
                            |                                          (Differential)
                            |  +-----------------------------+         ( VA - VB )
                            |  |  Measurement Divider (Right)|              ^
                            +->|  (Variable Ratio: R3 / R4)  |--(Node VB)-->+
                               |  [ R3: 1 kΩ ] + [ R4: Pot ]  |
                               +-----------------------------+
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el funcionamiento del puente utilizando un voltímetro o multímetro.

  1. Configuración: Alimente el circuito con 5 V. Configure su multímetro para medir Voltaje DC en el rango de 20 V o 2 V.
  2. Verificar referencia: Mida el voltaje entre VA y 0 (GND). Al ser R1 y R2 iguales (1 kΩ), esto debería ser estable en exactamente 2.5 V.
  3. Encontrar el punto nulo: Conecte las puntas del multímetro entre VA (punta roja) y VB (punta negra). Ajuste el potenciómetro R4 hasta que el multímetro lea 0.00 V.
    • Observación: En este punto, el puente está equilibrado (R1 / R2 = R3 / R4). R4 debería ser aproximadamente 1 kΩ.
  4. Simular aumento del sensor: Aumente la resistencia de R4.
    • Observación: El voltaje en VB aumenta. La lectura diferencial (VA – VB) se volverá negativa (asumiendo punta Roja en A, Negra en B).
  5. Simular disminución del sensor: Disminuya la resistencia de R4 por debajo de 1 kΩ.
    • Observación: El voltaje en VB cae. La lectura diferencial se volverá positiva.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Unbalanced Wheatstone Bridge

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC voltage source, main power supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Reference Arm (Left) ---
* R1: 1 kΩ, upper reference arm
R1 VCC VA 1k

* R2: 1 kΩ, lower reference arm
R2 VA 0 1k

* --- Measurement Arm (Right) ---
* R3: 1 kΩ, upper measurement arm
R3 VCC VB 1k

* R4: 2 kΩ potentiometer (simulating sensor), lower measurement arm
* Connected between VB and 0. Set to 2k to demonstrate unbalanced state.
R4 VB 0 2k
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Unbalanced Wheatstone Bridge

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC voltage source, main power supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Reference Arm (Left) ---
* R1: 1 kΩ, upper reference arm
R1 VCC VA 1k

* R2: 1 kΩ, lower reference arm
R2 VA 0 1k

* --- Measurement Arm (Right) ---
* R3: 1 kΩ, upper measurement arm
R3 VCC VB 1k

* R4: 2 kΩ potentiometer (simulating sensor), lower measurement arm
* Connected between VB and 0. Set to 2k to demonstrate unbalanced state.
R4 VB 0 2k

* --- Simulation Setup ---
* Calculate DC operating point
.op

* Transient analysis (10ms duration to verify stability)
.tran 100u 10m

* --- Output Directives ---
* Monitor Supply, Reference Voltage (VA), and Sensor Voltage (VB)
* Differential Output VOUT = V(VA) - V(VB)
.print tran V(VCC) V(VA) V(VB)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (108 rows) 
Index   time            v(vcc)          v(va)           v(vb)
0	0.000000e+00	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
1	1.000000e-06	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
2	2.000000e-06	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
3	4.000000e-06	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
4	8.000000e-06	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
5	1.600000e-05	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
6	3.200000e-05	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
7	6.400000e-05	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
8	1.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
9	2.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
10	3.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
11	4.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
12	5.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
13	6.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
14	7.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
15	8.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
16	9.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
17	1.028000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
18	1.128000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
19	1.228000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
20	1.328000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
21	1.428000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
22	1.528000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
23	1.628000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
... (84 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Medir con respecto a Tierra: Los estudiantes a menudo miden VA a GND y VB a GND por separado. Aunque es válido, el puente está diseñado para medirse diferencialmente (VA a VB) directamente.
    • Solución: Coloque las puntas del voltímetro directamente a través de los puntos medios del puente.
  2. Usar resistencias de baja tolerancia: Si R1 y R2 tienen una tolerancia alta (p. ej., 10%), el voltaje de referencia VA no será exactamente VCC/2, dificultando el cálculo del punto nulo.
    • Solución: Utilice resistencias de película metálica del 1% para R1, R2 y R3 para mayor precisión.
  3. Cargar el puente: Conectar una carga de baja impedancia (como un motor o un altavoz de baja resistencia) directamente entre VA y VB.
    • Solución: El puente es para medición de señales, no para potencia. Conecte siempre los nodos de salida a una entrada de alta impedancia, como un amplificador operacional o el ADC de un microcontrolador.

Solución de problemas

  • Síntoma: El voltaje de salida es siempre 0 V independientemente de la posición del potenciómetro.
    • Causa: La fuente de alimentación está apagada o hay un cortocircuito entre VA y VB.
    • Solución: Verifique las conexiones de V1 y asegúrese de que las dos ramas del puente no estén en cortocircuito entre sí.
  • Síntoma: No se puede alcanzar la salida de 0 V (Punto nulo).
    • Causa: La resistencia fija R3 es significativamente diferente del rango del potenciómetro R4.
    • Solución: Asegúrese de que el rango de R4 incluya el valor de R3 (p. ej., si R3 es 1 kΩ, R4 debe ser capaz de alcanzar 1 kΩ).
  • Síntoma: Las lecturas son inestables o «temblorosas».
    • Causa: Cursor del potenciómetro ruidoso o contactos sueltos en la protoboard.
    • Solución: Reemplace el potenciómetro o asegure conexiones sólidas en la protoboard.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Amplificador de instrumentación: Alimente los nodos VA y VB en un amplificador de instrumentación (como el AD620) para amplificar el pequeño voltaje diferencial para que lo lea un microcontrolador.
  2. Sensor físico: Reemplace R4 con una fotorresistencia (LDR) o un termistor (NTC). Observe cómo la luz o la temperatura cambian el equilibrio del puente.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito de puente de Wheatstone descrito?




Pregunta 2: ¿Qué sucede en el 'Estado equilibrado' del puente?




Pregunta 3: ¿Qué componente se utiliza para simular un sensor resistivo en este experimento?




Pregunta 4: ¿Cuál es una aplicación práctica mencionada para este tipo de circuito?




Pregunta 5: ¿Qué permite la 'Calibración a cero' en los sistemas de medición?




Pregunta 6: ¿Qué ocurre en el 'Estado desequilibrado' según el contexto?




Pregunta 7: ¿Qué beneficio aporta el circuito respecto al ruido de la fuente de alimentación?




Pregunta 8: ¿Para qué tipo de medición de temperatura es fundamental este circuito?




Pregunta 9: ¿Qué componentes básicos conforman el puente descrito además de la resistencia variable?




Pregunta 10: ¿Por qué es útil este circuito para la detección de señales pequeñas?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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