Потенциометрический вольтметр

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Две батареи по 6 вольт.
• Один потенциометр, однооборотный, 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack № 271-1715)
• Два высокоэффективных резистора (не менее 1 МОм каждый).
• Чувствительный детектор напряжения (из предыдущего эксперимента)
• Аналоговый вольтметр (из предыдущего эксперимента)

Значение потенциометра не критично:допустимы значения от 1 кОм до 100 кОм.

Если вы создали «прецизионный потенциометр», описанный ранее в этой главе, рекомендуется использовать его в этом эксперименте.

Точно так же фактические значения резисторов не критичны. В этом конкретном эксперименте, чем больше значение, тем лучше результаты. Также не обязательно, чтобы их значение было в точности равным.

Если вы еще не создали чувствительный детектор напряжения, рекомендуется создать его, прежде чем продолжить этот эксперимент!

Это очень полезный, но простой тестовый прибор, без которого вам не обойтись. Вы можете использовать цифровой мультиметр, настроенный на диапазон «DC милливольт» (DC mV) вместо детектора напряжения, но детектор напряжения для наушников более подходит, потому что он демонстрирует, как вы можете проводить точные измерения напряжения без использование дорогостоящего или современного измерительного оборудования. Я рекомендую использовать самодельный мультиметр по той же причине, хотя для этого эксперимента подойдет любой вольтметр.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 1, глава 8:«Цепи измерения постоянного тока»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Для описания нагрузки вольтметра:причины и способы устранения
• Чтобы проиллюстрировать, как использовать потенциометр в качестве источника переменного напряжения.
• Проиллюстрировать потенциометрический метод измерения напряжения.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Постройте схему делителя напряжения с двумя резисторами, показанную слева на принципиальной схеме и на иллюстрации.

Если два резистора большой емкости имеют одинаковую номинальную мощность, напряжение батареи следует разделить пополам, при этом на каждом резисторе должно упасть примерно 3 вольта.

Измерьте напряжение аккумулятора напрямую с помощью вольтметра, а затем измерьте падение напряжения на каждом резисторе.

Вы замечаете что-нибудь необычное в показаниях вольтметра? Обычно последовательные падения напряжения в сумме равняются общему приложенному напряжению, но в этом случае вы заметите серьезное несоответствие.

Закон Кирхгофа о напряжении неверен? Является ли это исключением из одного из самых фундаментальных законов электрических цепей?

Нет! Происходит вот что:когда вы подключаете вольтметр к любому резистору, сам вольтметр меняет цепь так, чтобы напряжение не было таким же, как при отключенном счетчике.

Мне нравится использовать аналогию с воздушным манометром для проверки давления в пневматической шине.

Когда манометр подсоединяется к заправочному клапану шины, он выпускает воздух из шины.

Это влияет на давление в шине, поэтому манометр показывает немного более низкое давление, чем то, которое было в шине до подключения манометра.

Другими словами, измерение давления в шинах меняет давление в шинах. Хотелось бы надеяться, что во время измерения из шины выходит так мало воздуха, что снижение давления незначительно.

Вольтметры аналогичным образом воздействуют на измеряемое ими напряжение, подавая некоторый ток вокруг компонента, падение напряжения которого измеряется.

Это влияет на падение напряжения, но эффект настолько незначителен, что вы его обычно не замечаете.

Однако в этой схеме эффект очень заметен. Почему это? Попробуйте заменить два резистора с высоким сопротивлением на два по 100 кОм каждый и повторите эксперимент.

Замените эти резисторы двумя модулями по 10 кОм и повторите. Что вы заметили в показаниях напряжения с резисторами меньшего номинала?

Что это говорит вам о «воздействии» вольтметра на цепь относительно сопротивления этой цепи?

Прежде чем продолжить, замените все резисторы малого номинала на оригинальные резисторы высокого номинала (> =1 МОм).

Попробуйте измерить напряжение на двух резисторах высокого сопротивления - по одному - с помощью цифрового вольтметра вместо аналогового вольтметра.

Что вы заметили в показаниях цифрового измерителя по сравнению с показаниями аналогового измерителя?

Цифровые вольтметры обычно имеют большее внутреннее сопротивление (между зондом), что означает, что они потребляют меньше тока, чем сопоставимый аналоговый вольтметр, при измерении того же источника напряжения.

Идеальный вольтметр потреблял бы нулевой ток из тестируемой цепи и, таким образом, не имел бы проблем с «ударом напряжения».

Если у вас есть два вольтметра, попробуйте следующее:подключите один вольтметр к одному резистору, а другой вольтметр - к другому резистору.

На этот раз показания напряжения будут добавлены к общему напряжению, независимо от номиналов резистора, даже если они отличаются от показаний, полученных на одном измерителе, использованном дважды.

К сожалению, маловероятно, что полученные таким образом показания напряжения будут равны истинному падению напряжения без подключенных счетчиков, поэтому это не является практическим решением проблемы.

Есть ли способ сделать «идеальный» вольтметр:такой, который имеет бесконечное сопротивление и не потребляет ток от тестируемой цепи?

Современные лабораторные вольтметры достигают этой цели за счет использования полупроводниковых «усилительных» схем, но этот метод слишком технологически продвинут, чтобы студент или любитель мог его воспроизвести.

Гораздо более простой и старый метод называется потенциометрическим . или нулевой баланс метод.

Это предполагает использование регулируемого источника напряжения для «уравновешивания» измеренного напряжения.

Когда два напряжения равны, на что указывает очень чувствительный нулевой детектор , регулируемый источник напряжения измеряется обычным вольтметром.

Поскольку два источника напряжения равны друг другу, измерение регулируемого источника аналогично измерению в испытательной цепи, за исключением того, что нет «ударной» ошибки, поскольку регулируемый источник обеспечивает любой ток, необходимый вольтметру. Следовательно, тестируемая цепь остается неизменной, что позволяет измерить ее истинное падение напряжения.

Изучите следующую схему, чтобы увидеть, как реализован метод потенциометрического вольтметра:

Круглый символ со словом «ноль» внутри представляет собой детектор нуля.

Это может быть любое движение счетчика с произвольной чувствительностью или индикатор напряжения.

Его единственная цель в этой схеме - указать, когда есть ноль напряжение:когда регулируемый источник напряжения (потенциометр) точно равен падению напряжения в проверяемой цепи.

Чем более чувствителен этот нулевой детектор, тем точнее регулируемый источник может быть отрегулирован так, чтобы он равнялся проверяемому напряжению, и тем точнее можно измерить это испытательное напряжение.

Соберите эту схему, как показано на рисунке, и протестируйте ее работу, измерив падение напряжения на одном из высокоэффективных резисторов в тестовой цепи.

Возможно, сначала будет проще использовать обычный мультиметр в качестве детектора нуля, пока вы не познакомитесь с процессом настройки потенциометра на «нулевое» показание, а затем снимите показания вольтметра, подключенного к потенциометру.

Если вы используете детектор напряжения на наушниках в качестве нулевого измерителя, вам нужно будет периодически устанавливать и размыкать контакт с проверяемой цепью и прислушиваться к звукам щелчка.

Сделайте это, надежно закрепив один из испытательных щупов на испытательной цепи и на мгновение прикоснувшись другим испытательным щупом к другой точке испытательной схемы снова и снова, прислушиваясь к звукам в наушниках, указывающим на разницу напряжений между испытательной схемой и контрольной схемой. потенциометр.

Отрегулируйте потенциометр до тех пор, пока в наушниках не перестанут слышаться щелчки. Это указывает на «нулевое» или «сбалансированное» состояние, и вы можете прочитать показания вольтметра, чтобы увидеть, сколько напряжения падает на резисторе тестовой цепи.

К сожалению, нуль-детектор на наушниках не показывает, является ли напряжение потенциометра больше, чем . , или меньше напряжение тестовой цепи, поэтому вам придется прислушиваться к уменьшению Интенсивность «щелчка» при повороте потенциометра, чтобы определить, нужно ли вам регулировать напряжение выше или ниже.

Вы можете обнаружить, что однооборотный («3/4 оборота») потенциометр слишком груб для устройства настройки, чтобы точно «обнулить» измерительную цепь.

Для большей точности регулировки можно использовать многооборотный потенциометр вместо однооборотного, или можно использовать схему «прецизионного потенциометра», описанную в более раннем эксперименте.

До появления технологии вольтметров с усилением потенциометрический метод был единственным метод для проведения высокоточных измерений напряжения.

Даже сейчас лаборатории электрических стандартов используют этот метод вместе с новейшей измерительной техникой, чтобы минимизировать «ударные» ошибки счетчика и максимизировать точность измерений.

Хотя потенциометрический метод требует больше навыков, чем простое подключение современного цифрового вольтметра к компоненту, и считается устаревшим для всех приложений, кроме самых точных, он по-прежнему является ценным процессом обучения для новичков, изучающих электронику, и полезным техника для любителей, у которых в домашней лаборатории может отсутствовать дорогостоящее оборудование.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема с номерами узлов SPICE:

Список соединений (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

 Потенциометрический вольтметр v1 1 0 dc 6 v2 3 0 r1 1 2 1meg r2 2 0 1meg rnull 2 ​​3 10k rmeter 3 0 50k .dc v2 0 6 0.5 .print dc v (2,0) v (2,3) v (3,0). конец 

Это моделирование SPICE показывает фактическое напряжение на R ₂ тестовой схемы, напряжение детектора нуля и напряжение на регулируемом источнике напряжения, так как этот источник регулируется от 0 до 6 вольт с шагом 0,5 вольт.

На выходе этого моделирования вы заметите, что напряжение на R ₂ есть Это существенно влияет, когда измерительная цепь не сбалансирована, возвращаясь к своему истинному напряжению только тогда, когда напряжение на нуль-детекторе практически равно нулю.

В этот момент, конечно, регулируемый источник напряжения имеет значение 3.000 В:точно равно (незатронутому) падению напряжения в испытательной цепи.

Какой урок можно извлечь из этой симуляции? Потенциометрический вольтметр избегает воздействия на испытательную цепь только когда он находится в состоянии идеального баланса («ноль») с испытательной схемой!

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист метрологии постоянного тока