Влияние входного сопротивления вольтметра на измерения и способы его минимизации

Любой измерительный инструмент неизбежно воздействует на измеряемую цепь — как манометр для шин слегка сдувает шину при заборе показаний. Хотя некоторое воздействие неизбежно, продуманный дизайн прибора может резко его уменьшить.

Схема делителя напряжения

Выводы вольтметра всегда подключаются параллельно исследуемому элементу (элементам). Любой ток, потребляемый прибором, добавляется к току цепи, что может изменить измеряемое напряжение. Идеальный вольтметр имел бы бесконечное входное сопротивление, не потребляя тока. На практике даже современный цифровой вольтметр предлагает только конечное сопротивление.

Рассмотрим следующий экстремальный пример делителя напряжения:

Без подключенного вольтметра источник 24 В делится поровну на двух равных резисторах 250 МОм — 12 В на каждом. Когда вольтметр 10 МОм подключается параллельно нижнему резистору, он образует параллельную ветвь, уменьшая эффективное нижнее сопротивление до 9,615 МОм (250 МОм || 10 МОм). Распределение напряжения меняется кардинально: на нижнем резисторе теперь всего 0,8889 В, а на верхнем — 23,1111 В.

Измеренный делитель напряжения

С новыми эффективными сопротивлениями делитель выдает 23,1111 В на верхнем участке и 0,8889 В на нижнем. Поскольку вольтметр сам является частью нижней сети 9,615 МОм, он покажет 0,8889 В. Подключение вольтметра меняет отношение сопротивлений цепи, поэтому показание больше не отражает исходные 12 В, существовавшие до подключения прибора.

Как работает вольтметр

Представьте манометр, потребляющий много воздуха: чем больше воздуха он забирает, тем больше сдувает шину. Аналогично, вольтметр потребляет ток для отклонения стрелки. Чем меньше ток, тем меньше он нагружает цепь. Это явление называется нагрузкой (loading) и присуще любому вольтметру. Худший случай — когда сопротивление прибора гораздо ниже измеряемых сопротивлений, но даже умеренная нагрузка заставит прибор показывать немного ниже истинного напряжения.

Большее входное сопротивление означает меньшую нагрузку, поэтому идеальный вольтметр имеет бесконечное внутреннее сопротивление. Электромеханические приборы оцениваются в Ом на вольт (Ом/В) для выражения связи между диапазоном и входным сопротивлением. Например, прибор с полношкальным током 1 мА будет иметь чувствительность 1 кОм/В на всех своих диапазонах.

В отличие от этого, большинство цифровых приборов представляют постоянное входное сопротивление (часто около 10 МОм) независимо от выбранного диапазона, упрощая проектирование, но всё равно внося некоторую нагрузку.

Уменьшение нагрузки вольтметра

Две инженерные стратегии снижают влияние вольтметра:

1. Проектирование механизма с малым током. Более чувствительная стрелка требует меньше тока для полной шкалы, но компромисс — обычно сниженная прочность.
2. Использование внутреннего усилителя. Собственная батарея прибора питает небольшой усилитель, двигающий стрелку, так что из измеряемой цепи берется лишь ничтожный ток. Получившийся усиленный вольтметр всё еще нагружает цепь, но на порядки меньше, чем неоснащенный усилителем прибор.

Исторически вакуумно-транзисторные вольтметры (VTVM) выполняли это усиление. Современные приборы опираются на твердотельные транзисторы, которые куда компактнее и надежнее.

Потенциометрическое (нулевое) измерение

Для цепей с высоким сопротивлением, где даже усиленный прибор может быть недостаточен, идеально подходит потенциометрический или метод нулевого баланса. Он не требует сложной электроники; вместо этого точное опорное напряжение сравнивается с неизвестным, и высокочувствительный нулевой детектор сигнализирует, когда два напряжения совпадают. В этот момент через измеряемую цепь не течет тока, полностью исключая нагрузку.

Типичные нулевые детекторы включают электромеханический прибор или даже пару наушников, соединенных с малым трансформатором, которые звучат щелчком при балансе напряжений.

Во время измерения техник регулирует опорное напряжение до индикации нулевой разности детектором. Опорное напряжение затем считывается на стандартном вольтметре — это значение равно напряжению на исследуемом элементе, свободному от эффектов нагрузки.

Ключевые выводы

• Идеальный вольтметр имеет бесконечное входное сопротивление.
• Низкое входное сопротивление заставляет прибор нагружать цепь и занижать показания напряжения.
• Вакуумно-транзисторные, транзисторные и потенциометрические вольтметры уменьшают нагрузку; потенциометрический подход может достичь практически нулевой нагрузки.
• Нулевой детектор — высокочувствительный прибор, указывающий на отсутствие напряжения между двумя точками, сигнализируя об идеальном балансе.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Базовое использование вольтметра

Понимая нагрузку и применяя подходящую технику измерения, можно обеспечить точные показания даже в самых сложных высокоомных сценариях.