Caída de tensión por circuito abierto

El medidor tiene una alta resistencia en sus terminales (en el rango de megaohmios para un DMM, alrededor de 10k a 50k para un tipo de medidor analógico), por lo que fluirá una ligera corriente a través de él, el LED y la resistencia.

Si bien esa pequeña corriente del medidor no tiene una caída apreciable en la resistencia, el LED aún tiene su caída de voltaje de polarización directa incluso con esa pequeña corriente. Sin embargo, tenga en cuenta que la caída directa del LED es menor (solo 2,4 V) que cuando el interruptor está cerrado (2,8 V) porque la corriente es mucho menor.

Habrá una corriente de punto de inflexión donde la caída hacia adelante comenzará a caer rápidamente; a medida que la resistencia del medidor se acerca al infinito, la caída directa del diodo llega a cero.

Lea más sobre las características de I/V del diodo aquí: https://www.tutorialspoint.com/semiconductor_devices/semiconductor_devices_diode_characteristics.htm

Cuando el interruptor está abierto, aísla los dos lados del interruptor para que pueda haber una diferencia de potencial (visto como el voltaje que está midiendo). Cuando el interruptor está cerrado, hay un cortocircuito total y ambos lados del interruptor tienen el mismo potencial†, por lo que no hay diferencia de potencial (0 voltios).

([†] Dentro de la tolerancia de medición. Hay una diferencia de potencial muy pequeña ya que los cables tienen un poco de resistencia, pero está tan cerca de cero que en este caso no hay diferencia).

Su error es suponer que el medidor no tiene efecto en el circuito. En su dibujo, reemplace el voltímetro con una resistencia de alto valor y verá que tiene un camino para que fluya la corriente.
Eso es lo que está haciendo cuando realiza mediciones de voltaje con su medidor.

Busque 'impedancia de entrada del voltímetro'.
Averigüe qué es eso para su medidor específico.
Realmente no existe tal cosa como un medidor 'estándar'. Los medidores digitales generalmente tienen una impedancia mucho más alta que los analógicos, pero varían.

Cuando el interruptor está abierto, estás convirtiendo tu voltímetro en un medidor de corriente. La resistencia de carga del "amperímetro" es la resistencia de entrada del voltímetro.

Por ejemplo, un multímetro Fluke puede tener una impedancia de entrada de 10M ohmios en algunos rangos, pero consulte siempre los valores reales en el manual.

El voltaje que lee con el interruptor abierto sigue la ley de Ohm:

Por lo tanto, reorganizando, la lectura actual depende del voltaje, en este multímetro Fluke hipotético, en el rango de medición particular, de la siguiente manera:

Es decir, divida el voltaje por 10 millones y obtendrá corriente que fluye a través de la impedancia del multímetro , en amperios. ¡Esta corriente no tiene que ser la misma que la corriente de cortocircuito con el interruptor cerrado! De hecho, por lo general no es lo mismo .

un diodo

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

cuando se conecta en polarización directa, su circuito equivalente se puede aproximar como el circuito que se muestra en la siguiente figura.

^{simular este circuito}

Entonces, en su circuito, lo que tiene se puede aproximar como el siguiente circuito.

^{simular este circuito}

Si suma los voltajes en serie, obtendrá El voltaje medido por el voltímetro es

La pregunta OP es aparentemente ingenua, pero como se puede ver en las muchas publicaciones, se trata de conceptos de circuitos importantes. Se puede responder con clichés banales como "seguidor de amplificador operacional" o "amplificador de transimpedancia" como se puede ver en millones de páginas web. Pero es mucho más significativo y útil para el OP y para todos nosotros revelar las ideas básicas detrás de estas soluciones de circuito específicas. Entonces hagámoslo...

la feliz circunstancia

Es una feliz coincidencia para mí que, en las últimas dos semanas, he decidido realizar con mis alumnos, en las asignaturas de Ingeniería Eléctrica (1er año) y Circuitos Electrónicos Básicos (3er año), dos ejercicios de laboratorio inusuales dedicados a este tema. En sentido figurado los llamé voltímetro "Ideal" y amperímetro "Ideal" . Mientras que para los estudiantes junior el objetivo eran las ideas y los circuitos eléctricos en sí mismos, para los estudiantes senior el objetivo era más las aplicaciones de estas ideas en los omnipresentes circuitos op-amp inversores y no inversores con retroalimentación negativa.

El problema

Al igual que en la pregunta OP, en la mayoría de las respuestas aquí, la corriente a través del interruptor cerrado y el voltaje a través del interruptor abierto se determinan mediante cálculo o sentido común. Pero estas son solo suposiciones que deben verificarse en la práctica mediante la medición. Aquí, el problema surge con el impacto de los instrumentos de medición reales en el valor medido: el voltímetro desvía (resta) la corriente y el amperímetro introduce (resta) la caída de voltaje. Por lo tanto, ya en el siglo XIX, surgió una pregunta: "¿Cómo hacemos un voltímetro ideal?" Y mucho más tarde, surgió la pregunta dual: "¿Cómo hacemos un amperímetro ideal?"

¿Por qué sucedió en esta secuencia?

Supongo que porque en el siglo XIX había buenos amperímetros (galvanómetros magnetoeléctricos de baja resistencia) pero no había buenos voltímetros (alta resistencia). Esto se debió a que no tenían ningún voltímetro y tenían que hacerlo a través de un amperímetro y una resistencia con una resistencia relativamente baja en serie (que actuaba como un convertidor de voltaje a corriente). Más tarde (y hasta ahora) aparecieron muy buenos voltímetros (convertidores de analógico a digital), pero no había (buenos) amperímetros. Y tenían que hacer un amperímetro conectando una resistencia con una resistencia relativamente alta (que actuaba como un convertidor de corriente-voltaje) en paralelo al voltímetro. Entonces, en ambos casos, había una necesidad de medidores "ideales"... y lograron hacerlos. Veamos cómo…

¿Cómo hacemos un voltímetro "ideal" (circuitos de amplificador operacional no inversores)?

Cambiemos un poco el punto de vista desde el que miramos el problema…

El voltímetro imperfecto desvía parte de la corriente que fluye a través del circuito medido. Entonces, tenemos que "detener" (cero) de alguna manera esta corriente no deseada. ¿Cómo podemos hacer eso?

La solución directa es aumentar (teóricamente hasta el infinito) la resistencia del voltímetro (I = V/R = 0). Pero en el siglo XIX, esto era difícil de hacer porque requería un aumento increíble en la sensibilidad del galvanómetro... y estaban buscando otra solución.

La solución ingeniosa : la corriente depende tanto de la resistencia como del voltaje; entonces, ¿por qué no intentar "detenerlo" poniendo a cero el voltaje? Para este propósito, podemos restar el mismo voltaje por lo que la corriente será nuevamente I = (V - V)/R = 0. Esto significa conectar otra fuente de voltaje en serie y en dirección opuesta al voltaje medido y ajustar su voltaje igual al voltaje medido (mis estudiantes usaron un potenciómetro de 1 k para este propósito). El momento de igualdad se puede ver con un voltímetro sensible o incluso un amperímetro (indicador de cero) conectado entre los dos voltajes - Fig. 1.

Fig. 1. Voltímetro "ideal" (un boceto aproximado)

Finalmente, conectamos el voltímetro imperfecto a la fuente de voltaje "clonada". Por lo tanto, el voltímetro imperfecto consume corriente de esta fuente (no de la fuente de voltaje de entrada) y se comporta como un voltímetro "ideal". Todos los circuitos de amplificadores operacionales no inversores se basan en esta idea (también conocida como "arranque"). El seguidor de emisor y el seguidor de amplificador operacional son los ejemplos más simples.

¿Cómo hacemos un amperímetro "ideal" (invirtiendo circuitos de amplificador operacional)?

Se puede usar una idea similar (conectar otra fuente de voltaje en serie) para hacer que un amperímetro imperfecto se comporte como (casi) "ideal".

Aquí el problema es que el amperímetro imperfecto "crea" una caída de voltaje indeseable a través de sí mismo. Esta caída de voltaje se resta del voltaje de entrada (que crea la corriente) y, como resultado, la corriente disminuye. Entonces, tenemos que eliminar de alguna manera (cero) esta caída de voltaje no deseada. ¿Cómo podemos hacer eso?

La solución directa es disminuir (teóricamente a cero) la resistencia del amperímetro (V = IR = 0). En el siglo XIX, esto no era tan difícil de hacer porque la bobina de cobre del galvanómetro podía tener una resistencia lo suficientemente baja... y se negaban a compensarlo de nuestra manera más sofisticada. Para ser honesto, no estaba seguro de esto… y comencé a buscar pistas sobre alguna implementación de esta idea en Google. Y como no encontré nada, tuve que fabricar esta historia imaginaria para mis alumnos :) Aquí está mi historia...

La solución ingeniosa : la corriente depende tanto de la resistencia como del voltaje; entonces, ¿por qué no intentar corregirlo (aumentarlo) aumentando el voltaje? Pero no podemos cambiar el voltaje de entrada porque es externo para nosotros.

Aquí se nos ocurre otra idea brillante: podemos agregar el mismo voltaje IR que la caída de voltaje no deseada para que la corriente no cambie: I = V - IR + IR = constante. Ahora, esto significa conectar otra fuente de voltaje en serie pero en la misma dirección al voltaje de entrada y ajustar su voltaje igual a la caída de voltaje no deseada a través del amperímetro imperfecto (Fig. 2). Mis alumnos usaron el mismo potenciómetro de 1 k para este propósito y otra fuente de voltaje pero negativa. El momento de igualdad se puede ver con un voltímetro sensible (indicador de cero) conectado en paralelo a la red de dos elementos en serie (el amperímetro imperfecto y la nueva fuente de voltaje).

Fig. 2. Amperímetro "ideal" (un boceto aproximado)

Ahora surge una nueva idea: usar el voltaje de compensación como salida. Para ello, conectamos un voltímetro (ADC) a esta fuente. Los beneficios son obvios: primero, un voltímetro imperfecto no desviará la corriente; segundo, este es un voltaje puesto a tierra. Bueno, es negativo… pero a veces es deseable.

Todos los circuitos amplificadores operacionales inversores se basan en esta idea (también conocida como "tierra virtual"). El amplificador de transimpedancia es el ejemplo más simple.

Vea también mis historias sobre el amperímetro op-amp en ResearchGate y Circuit-fantasia . La próxima historia de RG sobre el amplificador de transimpedancia es un desarrollo adicional de esta idea.

Generalización

Es interesante ver que la idea del amperímetro "ideal" es el conocido efecto Miller . La idea detrás del voltímetro "ideal" se agrega como un concepto dual en el teorema de Miller .