Вольтметр — это измерительный прибор, используемый для определения уровня напряжения в электрической цепи при параллельном подключении к измеряемой части цепи.
При анализе работы электрических и электронных схем или при попытке понять, почему схема работает не так, как ожидалось, в конечном итоге вам придется использовать вольтметр для измерения различных уровней напряжения. Вольтметры, используемые для измерения напряжения, бывают разных форм и размеров, аналоговые или цифровые, или как часть цифрового мультиметра, который чаще всего используется сегодня.
Вольтметры также могут использоваться для измерения постоянного напряжения, а также синусоидального переменного напряжения, но введение вольтметра в качестве измерительного прибора в цепь может нарушить ее устойчивое состояние.
Как следует из названия, вольтметр — это прибор, используемый для измерения напряжения (В), то есть разности потенциалов между любыми двумя точками в цепи. Чтобы измерить напряжение (разность потенциалов), вольтметр должен быть подключен параллельно компоненту, напряжение которого вы хотите измерить.
Вольтметры можно использовать для измерения падения напряжения на одном компоненте или источнике питания, а также для измерения суммы падений напряжения на двух или более точках или компонентах в цепи.
Например, если подключить вольтметр к клеммам полностью заряженного автомобильного аккумулятора, он покажет 12,6 вольт. То есть между положительным и отрицательным полюсами батареи существует разность потенциалов в 12,6 вольт. Таким образом, напряжение, V всегда измеряется поперек или параллельно компоненту цепи.
Самым основным типом аналогового вольтметра постоянного тока является вольтметр с постоянным магнитом и подвижной катушкой (PMMC), также известный как механизм Дарсонваля.
Этот тип аналогового измерительного механизма представляет собой прибор для измерения тока (гальванометр), который может быть настроен на работу в качестве вольтметра или амперметра, основное различие заключается в способе их подключения в цепь.
В механизме с подвижной катушкой используется неподвижный постоянный магнит и катушка из очень тонкой проволоки, которая может двигаться (отсюда и название «подвижная катушка») в магнитном поле магнита.
При подключении к цепи через катушку протекает электрический ток, который, в свою очередь, создает собственное магнитное поле (электромагнетизм), реагирующее на магнитное поле, создаваемое окружающим постоянным магнитом, заставляя катушку двигаться.
Поскольку гальванометр реагирует на внутренний ток, если мы знаем внутреннее сопротивление катушки (намотанной из медной проволоки), мы можем просто использовать закон Ома для определения соответствующей измеряемой разности потенциалов.
Конструкция измерительного прибора с подвижной катушкой на постоянном магните
Величина перемещения электромагнитной катушки, называемая «отклонением», пропорциональна силе тока, протекающего через катушку, необходимой для создания магнитного поля, необходимого для отклонения иглы.
Обычно к катушке подключен указатель, или игла, поэтому движение катушки вызывает отклонение указателя по линейной шкале для указания измеряемой величины, при этом угол отклонения пропорционален входному току. Таким образом, стрелка гальванометра перемещается в ответ на ток.
Обычно для контроля угла отклонения используются тонкие спиральные демпфирующие пружины типа часовых механизмов, предотвращающие колебания или быстрые движения, которые могут повредить указатель, а также удерживающие движение катушки в состоянии покоя, когда ток через катушку не проходит.
Обычно стрелка перемещается между нулем слева и полномасштабным отклонением (FSD) в крайнем правом углу шкалы. Некоторые измерительные механизмы имеют пружинный центрированный указатель, при этом нулевое положение покоя находится в середине шкалы, что позволяет перемещать указатель в обоих направлениях. Это удобно при измерении напряжения любой полярности.
Хотя этот механизм измерителя PMMC линейно реагирует на протекание тока в подвижной катушке, он может быть адаптирован для измерения напряжения путем добавления сопротивления последовательно с движением катушки. Сочетание последовательного сопротивления с движением подвижной катушки образует вольтметр постоянного тока, который может давать точные результаты после калибровки.
Измерение напряжения
Когда электрические заряды находятся в равновесии, напряжение между любыми двумя точками цепи равно нулю, а если по цепи течет ток (движение заряда), то между двумя или более различными точками цепи будет существовать напряжение.
Используя гальванометр, мы можем измерить не только ток, протекающий между двумя точками, но и разность напряжений между ними, согласно закону Ома, поскольку эти величины пропорциональны друг другу. Таким образом, используя градуированный вольтметр, мы можем измерить разность потенциалов между любыми двумя точками цепи.
Но как преобразовать прибор, работающий с током, в прибор, который можно использовать для измерения напряжения? Отклонение измерительного прибора с подвижной катушкой на постоянном магните пропорционально силе тока, проходящего через его подвижную катушку.
Если его полномасштабное отклонение (FSD) умножить на внутреннее сопротивление подвижной катушки, то измеритель можно заставить считывать напряжение вместо тока, превратив таким образом измеритель с подвижной катушкой на постоянном магните в вольтметр постоянного тока.
Однако из-за конструкции подвижной катушки большинство измерителей PMMC являются очень чувствительными приборами, которые могут иметь полномасштабный ток отклонения, номиналы IG всего лишь 100 мкА (или меньше). Если, например, сопротивление подвижной катушки RG составляет 500Ω, то максимальное полномасштабное напряжение, которое мы могли бы измерить, составит всего 50 мВ (V = I*R = 100 мкА x 500Ω).
Поэтому для того, чтобы чувствительная подвижная катушка вольтметра PMMC могла измерять более высокие значения напряжения, нам необходимо найти способ уменьшить измеряемое напряжение до значения, которое измеритель может выдержать, и это достигается путем установки резистора, называемого умножителем, последовательно с внутренним сопротивлением катушки измерителя.
Предположим, что мы хотим использовать наш гальванометр 100 мкА, 500 Ом для измерения напряжения в цепи до 1,0 вольта. Очевидно, что мы не можем подключить измерительный прибор напрямую для измерения 1 вольта, поскольку, как мы видели ранее, максимальное напряжение, которое он может измерить, составляет 50 милливольт (50 мВ). Но, используя закон Ома, мы можем рассчитать значение последовательного резистора RS, которое необходимо для получения полномасштабного движения измерителя при измерении разности потенциалов в один вольт.
Таким образом, если ток, при котором гальванометр дает полное отклонение шкалы, составляет 100 мкА, то необходимое последовательное сопротивление RS рассчитывается как 9,5 кОм. Таким образом, гальванометр можно превратить в вольтметр, просто подключив последовательно с ним достаточно большое сопротивление, как показано на рисунке.
Последовательное сопротивление вольтметра
Обратите внимание, что это последовательное сопротивление RS всегда будет выше, чем внутреннее сопротивление катушки, RG ограничивает силу тока через обмотки катушки. Комбинация движения измерительного прибора с внешним последовательным сопротивлением образует основу простого аналогового вольтметра.
Пример вольтметра No1
Гальванометр PMMC имеет внутреннее сопротивление катушки 100Ω и производит полномасштабное отклонение на 200 мВ. Найдите сопротивление умножителя, необходимое для того, чтобы измерительный прибор давал полное отклонение при измерении постоянного напряжения 5 вольт.
Поэтому требуемое последовательное сопротивление имеет значение 2,4kΩ.
Мы можем использовать этот метод для измерения любого значения напряжения, изменяя значение резисторов умножителя по мере необходимости, если мы знаем значения тока или напряжения полномасштабного отклонения (FSD) (IFSD или VFSD) гальванометра. Затем все, что нам нужно сделать, это перемаркировать шкалу, чтобы отсчитывать от нуля до нового значения измеряемого напряжения.
Эта простая последовательно соединенная схема делителя напряжения может быть расширена до ряда различных резисторов «умножителей», что позволяет использовать вольтметр для измерения ряда различных уровней напряжения одним щелчком переключателя.
Конструкция многодиапазонного вольтметра
Наш простой вольтметр постоянного тока, описанный выше, можно расширить, используя ряд последовательных сопротивлений, каждое из которых рассчитано на определенный диапазон напряжения, которые можно выбирать по одному с помощью одного многополюсного переключателя, что позволяет нашему аналоговому вольтметру измерять более широкий диапазон уровней напряжения одним движением.
Этот тип конфигурации вольтметра называется многодиапазонным вольтметром, при этом диапазоны выбираются в зависимости от количества положений переключателя, например, 4-позиционный, 5-позиционный и т.д.
Прямая конфигурация многодиапазонного вольтметра
В этой конфигурации вольтметра каждый множительный резистор RS многодиапазонного вольтметра подключается последовательно с измерителем, как и раньше, чтобы получить желаемый диапазон напряжения. Так, если мы предположим, что наш измеритель 50 мВ FSD требуется для измерения следующих диапазонов напряжения: 10 В, 50 В, 100 В, 250 В и 500 В, то необходимые последовательные резисторы рассчитываются так же, как и раньше:
Приведение схемы прямого многодиапазонного вольтметра из:
Хотя эта конфигурация прямого вольтметра работает очень хорошо для считывания нашего диапазона напряжений, значения множительных резисторов, необходимые для получения правильного FSD измерителя для рассчитанных диапазонов, могут давать значения резисторов, которые не являются стандартными предпочтительными значениями, или требуют спаивания резисторов для получения точного значения.
Рассчитанные нами значения от 99,5kΩ до 4,9995MΩ не являются общепринятыми значениями резисторов, поэтому нам необходимо найти вариацию вышеописанной конструкции вольтметра, которая будет использовать более общедоступные значения резисторов.
Конфигурация косвенного многодиапазонного вольтметра
Более практичной конструкцией является косвенная конфигурация вольтметра, в которой одно или несколько последовательных сопротивлений соединяются в последовательную цепь с измерителем для получения нужного диапазона напряжения. Преимуществом здесь является то, что мы можем использовать стандартные предпочтительные значения для умножающих резисторов.
Если мы снова возьмем измеритель FSD на 50 мВ и диапазоны напряжения 10 В, 50 В, 100 В, 250 В и 500 В, то необходимые последовательные резисторы умножения рассчитываются следующим образом:
Приведем схему косвенного многодиапазонного вольтметра из:
Затем мы видим, что при такой косвенной конфигурации 5-диапазонного вольтметра, чем выше измеряемое напряжение, тем больше множительных резисторов выбирается переключателем. Общее сопротивление, подключенное последовательно с вольтметром PMMC, будет равно сумме сопротивлений, так как RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3 … и т.д.
Очевидно, что хотя обе схемы, прямая и косвенная конфигурация вольтметра, способны считывать одинаковые уровни напряжения, использование стандартных и предпочтительных значений резисторов 400kΩ, 500kΩ, 1M5Ω и 2M5Ω делает косвенный метод более простым и дешевым.
Очевидно, что выбор значений резисторов в конечном итоге зависит от FSD используемого гальванометра и уровней напряжения, которые необходимо измерить. В любом случае, простой многодиапазонный аналоговый вольтметр постоянного тока может быть построен путем подключения резисторов с множителем более высокой серии и переключателя. Большинство цифровых мультиметров в наши дни имеют автоматический диапазон.
Последний момент, который необходимо отметить при создании вольтметра постоянного тока, заключается в том, что идеальный вольтметр не будет оказывать никакого влияния на измеряемую часть цепи или компонент, поскольку он имеет бесконечное эквивалентное сопротивление.
Однако на практике при измерении напряжения подключение вольтметра к цепи, особенно к цепи с высоким сопротивлением, может снизить эффективное сопротивление цепи и, следовательно, уменьшить измеряемое напряжение между двумя точками.
Чтобы минимизировать этот эффект нагрузки, следует использовать измерительный прибор с высокой чувствительностью, то есть его полномасштабное отклонение достигается при меньшем отклоняющем токе, поэтому умножающее сопротивление, используемое для вольтметра, может быть как можно выше, чтобы уменьшить ток, проходящий через измерительный прибор PMMC. Чувствительность вольтметра измеряется в Ом/Вольт, (Ω/V).
