Потенциометрический вольтметр: Точное измерение напряжения с минимальной нагрузкой

Детали и материалы

• Два 6-вольтовых аккумулятора
• Однооборотный линейный потенциометр 10 кОм (Radio Shack #271-1715)
• Два высокоомных резистора (≥1 МОм каждый)
• Чувствительный детектор напряжения (из предыдущего эксперимента)
• Аналоговый вольтметр (из предыдущего эксперимента)

Номинал потенциометра некритичен — подойдут значения от 1 кОм до 100 кОм. Если вы собрали точный потенциометр, описанный ранее в этой главе, он идеально подойдет для этого упражнения. Чем больше сопротивление резисторов, тем выше точность; они не обязательно должны быть идентичными.

Если вы еще не собрали чувствительный детектор напряжения, рекомендуем сделать это сначала. Самостоятельно изготовленный детектор недорог, но демонстрирует, как выполнять точные измерения напряжения без дорогого оборудования. Цифровой мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения в милливольтах может служить заменой, но детектор на основе наушников предпочтительнее для обучения.

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 8: «DC Metering Circuits»

Цели обучения

• Понять нагрузку вольтметра: причины и способы её устранения
• Использовать потенциометр как регулируемый источник напряжения
• Применить потенциометрический (нулевой баланс) метод для точного измерения напряжения

Схема

Иллюстрация

Инструкции

1. Соберите делитель напряжения из двух резисторов, показанный в левой части схемы.

2. Если высокоомные резисторы равны, напряжение 6-вольтового аккумулятора должно разделиться на два падения по 3 В.

3. Измерьте напряжение аккумулятора вольтметром, затем измерьте падение напряжения на каждом резисторе.

Вы, вероятно, заметите расхождение: сумма отдельных падений не равна общему напряжению аккумулятора. Это не нарушение второго закона Кирхгофа; это классический пример нагрузки вольтметра.

Аналогия: манометр для шин выпускает немного воздуха при подключении, слегка понижая давление. Точно так же вольтметр создает путь для тока, который незначительно изменяет напряжение на измеряемом элементе.

В этой цепи эффект выражен сильно, потому что тестовые резисторы имеют высокое сопротивление. Замените их на 100 кОм, затем на 10 кОм и наблюдайте, как меняются показания. Уменьшение сопротивления снижает влияние нагрузки, но за счет точности измерения.

Попробуйте измерить каждый резистор цифровым вольтметром вместо аналогового. Цифровые приборы обычно имеют более высокое входное сопротивление (часто >10 МОм), поэтому они потребляют меньше тока и дают показания, ближе к истинному напряжению.

Для более точного подхода используйте потенциометрический (нулевой баланс) метод. Эта техника уравновешивает измеряемое напряжение с регулируемым источником напряжения (потенциометром) и использует высокочувствительный нулевой детектор для указания баланса. После достижения баланса напряжение на потенциометре — измеренное вольтметром — равно измеряемому напряжению без ошибок нагрузки.

Схема потенциометрического вольтметра

Обозначение «null» представляет нулевой детектор. Любой чувствительный измерительный прибор или индикатор напряжения может служить детектором; его роль — только сигнализировать об отсутствии разности напряжений.

Соберите цепь, как показано на иллюстрации, и используйте её для измерения падения напряжения на одном из высокоомных резисторов. Изначально в качестве нулевого детектора можно использовать обычный мультиметр, пока вы привыкаете к процессу. Если предпочитаете детектор на основе наушников, кратковременно касайтесь каждой контрольной точки и слушайте характерные щелчки, которые затихают при достижении баланса.

Примечание: однооборотный потенциометр может быть слишком грубым для точного вывода в ноль. Рассмотрите многооборотный блок или схему точного потенциометра, описанную ранее.

Компьютерное моделирование

SPICE-схема с номерами узлов:

Нетлист (скопируйте в текстовый файл potentiometric.cir):

Potentiometric voltmeter
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)
.end

Моделирование показывает, что измеряемое напряжение точно только тогда, когда нулевой детектор показывает ноль — то есть когда потенциометр идеально сбалансирован. В этой точке регулируемый источник показывает ровно 3,000 В, что соответствует истинному падению напряжения на тестовом резисторе.

Связанные рабочие листы

• DC Metrology Worksheet