Влияние вольтметра на измеряемую цепь

Каждый счетчик до некоторой степени влияет на контур, который он измеряет, точно так же, как любой манометр в шинах слегка изменяет измеренное давление в шинах, поскольку для работы манометра выпускается некоторое количество воздуха. Некоторое воздействие неизбежно, но его можно минимизировать за счет хорошей конструкции счетчика.

Схема делителя напряжения

Поскольку вольтметры всегда подключаются параллельно тестируемому компоненту или компонентам, любой ток, протекающий через вольтметр, будет вносить вклад в общий ток в тестируемой цепи, потенциально влияя на измеряемое напряжение. Идеальный вольтметр имеет бесконечное сопротивление, поэтому он не потребляет ток из тестируемой цепи. Однако идеальные вольтметры существуют только на страницах учебников, а не в реальной жизни! Возьмем следующую схему делителя напряжения в качестве крайнего примера того, как реалистичный вольтметр может повлиять на схему, которую он измеряет:

При отсутствии вольтметра, подключенного к цепи, на каждом резисторе 250 МОм в последовательной цепи должно быть ровно 12 Вольт, причем два резистора равного номинала делят общее напряжение (24 В) точно пополам. Однако, если рассматриваемый вольтметр имеет сопротивление между выводами 10 МОм (обычное значение для современного цифрового вольтметра), его сопротивление создаст параллельную подсхему с нижним резистором делителя при подключении:

Это эффективно снижает нижнее сопротивление с 250 МОм до 9,615 МОм (250 МОм и 10 МОм параллельно), резко изменяя падение напряжения в цепи. На нижнем резисторе теперь будет гораздо меньше напряжения, чем раньше, а на верхнем резисторе - намного больше.

Измеряемый делитель напряжения

Делитель напряжения с сопротивлением 250 МОм и 9,615 МОм разделит 24 В на части 23,1111 В и 0,8889 В соответственно. Поскольку вольтметр является частью этого сопротивления 9,615 МОм, он будет показывать именно это:0,8889 вольт.

Теперь вольтметр может показывать только напряжение, на котором он подключен. Он не может «знать», что на нижнем резисторе 250 МОм упал потенциал 12 В до это было связано через это. Сам факт подключения вольтметра к цепи делает его частью цепи, а собственное сопротивление вольтметра изменяет коэффициент сопротивления цепи делителя напряжения, соответственно влияя на измеряемое напряжение.

Как работает вольтметр?

Представьте себе манометр в шинах, для работы которого требуется такой большой объем воздуха, что он может спустить воздух из любой шины, к которой он подключен. Количество воздуха, потребляемого манометром во время измерения, аналогично току, затрачиваемому движением вольтметра для перемещения иглы. Чем меньше воздуха требуется манометру для работы, тем меньше он будет спускать воздух из тестируемой шины. Чем меньше ток, потребляемый вольтметром для приведения в действие иглы, тем меньше нагрузка на тестируемую цепь.

Этот эффект называется загрузка . , и он в той или иной степени присутствует в каждом случае использования вольтметра. Показанный здесь сценарий является наихудшим:сопротивление вольтметра существенно ниже, чем сопротивление резисторов делителя. Но всегда будет некоторая степень нагрузки, из-за которой измеритель будет показывать меньшее, чем истинное напряжение, без подключенного измерителя. Очевидно, что чем выше сопротивление вольтметра, тем меньше нагрузка на тестируемую цепь, и поэтому идеальный вольтметр имеет бесконечное внутреннее сопротивление.

Вольтметрам с электромеханическими механизмами движения обычно присваиваются номинальные значения в диапазоне «Ом на вольт», чтобы обозначить величину удара цепи, создаваемого током, потребляемым движением. Поскольку такие измерители используют разные значения резисторов умножителя для получения разных диапазонов измерения, их сопротивление между выводами будет меняться в зависимости от того, на какой диапазон они настроены. Цифровые вольтметры, с другой стороны, часто демонстрируют постоянное сопротивление на своих измерительных выводах независимо от настройки диапазона (но не всегда!), И поэтому обычно измеряются просто в омах входного сопротивления, а не чувствительности «Ом на вольт».

«Ом на вольт» означает, сколько Ом сопротивления между выводами на каждый вольт в настройке диапазона . на селекторном переключателе. Возьмем в качестве примера наш пример вольтметра из последнего раздела:

На шкале 1000 вольт полное сопротивление составляет 1 МОм (999,5 кОм + 500 Ом), что дает 1000000 Ом на 1000 вольт диапазона или 1000 Ом на вольт (1 кОм / В). Этот рейтинг «чувствительности» в омах на вольт остается постоянным для любого диапазона этого измерителя:

Проницательный наблюдатель заметит, что номинальное сопротивление любого измерителя определяется одним фактором:током полной шкалы механизма, в данном случае 1 мА. «Ом на вольт» - это математическая величина, обратная «вольт на ом», которая определяется законом Ома как ток (I =E / R). Следовательно, полномасштабный текущий движения определяет чувствительность измерителя Ω / вольт, независимо от того, какими диапазонами разработчик снабдил его через резисторы-умножители. В этом случае номинальный ток полной шкалы измерительного механизма, равный 1 мА, дает ему чувствительность вольтметра 1000 Ом / В независимо от того, как мы измеряем его с помощью резисторов умножителя.

Чтобы свести к минимуму нагрузку вольтметра на любую схему, разработчик должен стремиться минимизировать ток, потребляемый его движением. Это может быть достигнуто путем изменения конструкции самого механизма для обеспечения максимальной чувствительности (для полного отклонения требуется меньший ток), но здесь обычно возникает компромисс:более чувствительный механизм имеет тенденцию быть более хрупким.

Другой подход - электронное усиление тока, подаваемого в механизм, так что от тестируемой цепи требуется очень небольшой ток. Эта специальная электронная схема известна как усилитель . , а построенный таким образом вольтметр представляет собой вольтметр с усилением .

Внутренняя работа усилителя слишком сложна, чтобы обсуждать ее здесь, но достаточно сказать, что схема позволяет измеренному напряжению управлять сколько тока батареи направлено на движение счетчика. Таким образом, потребность механизма в токе обеспечивается внутренней батареей вольтметра, а не проверяемой схемой. Усилитель по-прежнему нагружает тестируемую цепь до некоторой степени, но обычно в сотни или тысячи раз меньше, чем движение измерителя само по себе.

Вольтметры с вакуумной трубкой (VTVM)

До появления полупроводников, известных как «полевые транзисторы», вакуумные лампы использовались в качестве усилительных устройств для выполнения этого повышения. Такие ламповые вольтметры , или (VTVM) когда-то были очень популярными приборами для электронных испытаний и измерений. Вот фотография очень старого VTVM с открытой лампой!

Теперь схемы усилителя на твердотельных транзисторах решают ту же задачу при разработке цифровых измерителей. Хотя этот подход (использование усилителя для увеличения тока измеряемого сигнала) работает хорошо, он значительно усложняет конструкцию измерителя, делая почти невозможным для начинающего студента-электронщика понять его внутреннюю работу.

Последнее и оригинальное решение проблемы нагрузки вольтметра - это потенциометрический или нулевой баланс инструмент. Это не требует продвинутых (электронных) схем или чувствительных устройств, таких как транзисторы или электронные лампы, но требует большего участия и навыков технического специалиста. В потенциометрическом приборе прецизионный регулируемый источник напряжения сравнивается с измеренным напряжением, а чувствительное устройство, называемое детектором нуля используется, чтобы указать, когда два напряжения равны.

В некоторых схемах используется прецизионный потенциометр используется для обеспечения регулируемого напряжения, поэтому метка потенциометрический . Когда напряжения равны, из тестируемой цепи будет подаваться нулевой ток, и, таким образом, на измеренное напряжение не должно влиять. Легко показать, как это работает, на нашем последнем примере - схеме высоковольтного делителя напряжения:

Детектор нуля

«Детектор нуля» - это чувствительное устройство, способное указывать на наличие очень малых напряжений. Если в качестве нуль-детектора используется электромеханический измерительный механизм, он будет иметь пружинно-центрированную стрелку, которая может отклоняться в любом направлении, чтобы быть полезной для индикации напряжения любой полярности. Поскольку цель детектора нуля - точно указать состояние нуля напряжение, вместо того, чтобы указывать какую-либо конкретную (ненулевую) величину, как это делал бы обычный вольтметр, шкала используемого инструмента не имеет значения. Детекторы нуля обычно разрабатываются так, чтобы быть максимально чувствительными, чтобы более точно указывать на «нулевое» состояние или «баланс» (нулевое напряжение).

Чрезвычайно простой тип нулевого детектора - это набор аудионаушников, динамики внутри которых действуют как своего рода движение измерителя. Когда к динамику изначально подается постоянное напряжение, возникающий через него ток будет перемещать диффузор динамика и производить слышимый «щелчок». Другой звук щелчка будет слышен при отключении источника постоянного тока. Основываясь на этом принципе, чувствительный детектор нуля может быть сделан не более чем из наушников и переключателя мгновенного действия:

Если для этой цели используются наушники с сопротивлением 8 Ом, их чувствительность можно значительно повысить, подключив их к устройству, называемому трансформатором . . Трансформатор использует принципы электромагнетизма для «преобразования» уровней напряжения и тока импульсов электрической энергии. В данном случае используется трансформатор понижающего трансформатор, и он преобразует слаботочные импульсы (создаваемые замыканием и размыканием кнопочного переключателя при подключении к небольшому источнику напряжения) в более сильные импульсы, чтобы более эффективно управлять диффузорами динамиков внутри наушников.

Трансформатор «аудиовыхода» с коэффициентом импеданса 1000:8 идеально подходит для этой цели. Трансформатор также увеличивает чувствительность детектора, накапливая энергию слаботочного сигнала в магнитном поле для внезапного выброса в динамики наушников при размыкании переключателя. Таким образом, он будет производить более громкие «щелчки» для обнаружения более слабых сигналов:

Подключенный к потенциометрической схеме в качестве детектора нуля, переключатель / трансформатор / наушники используется как таковое:

Назначение любого нуль-детектора - действовать как лабораторные весы, показывая, когда два напряжения равны (отсутствие напряжения между точками 1 и 2) и ничего более. Балансир лабораторных весов фактически ничего не весит; скорее, он просто указывает на равенство между неизвестной массой и стопкой стандартных (калиброванных) масс.

Аналогичным образом, нулевой детектор просто указывает, когда напряжение между точками 1 и 2 одинаково, что (согласно закону Кирхгофа о напряжении) будет, когда регулируемый источник напряжения (символ батареи с диагональной стрелкой, проходящей через него) точно равен по напряжению. к падению через R2.

Для работы с этим прибором техник вручную настраивал выходной сигнал прецизионного источника напряжения до тех пор, пока нулевой детектор не показывал точно ноль (при использовании аудионаушников в качестве нулевого детектора, техник неоднократно нажимал и отпускал кнопочный переключатель, прислушиваясь к тишине, чтобы указать чтобы схема была «сбалансированной»), а затем отметьте напряжение источника, показанное вольтметром, подключенным к прецизионному источнику напряжения, и эта индикация представляет напряжение на нижнем резисторе 250 МОм:

Вольтметр, используемый для прямого измерения прецизионного источника, не обязательно должен иметь чрезвычайно высокую чувствительность Ω / V, потому что источник будет обеспечивать весь ток, необходимый для работы. Пока на нуль-детекторе имеется нулевое напряжение, между точками 1 и 2 будет нулевой ток, что означает отсутствие нагрузки на тестируемую схему делителя.

Стоит повторить тот факт, что этот метод при правильном выполнении создает почти нулевую нагрузку . по измеряемой схеме. В идеале он абсолютно не нагружает тестируемую схему, но для достижения этой идеальной цели нуль-детектор должен иметь абсолютно нулевое напряжение . , что потребует бесконечно чувствительного нуль-метра и идеального баланса напряжения от регулируемого источника напряжения.

Однако, несмотря на практическую неспособность достичь абсолютного нуля нагрузки, потенциометрическая схема по-прежнему является отличным методом измерения напряжения в цепях с высоким сопротивлением. И в отличие от электронного усилителя, который решает проблему с помощью передовых технологий, потенциометрический метод обеспечивает гипотетически идеальное решение, используя фундаментальный закон электричества (KVL).

ОБЗОР:

• Идеальный вольтметр имеет бесконечное сопротивление.
• Слишком низкое внутреннее сопротивление в вольтметре отрицательно скажется на измеряемой цепи.
• Вольтметры с вакуумной трубкой (VTVM), транзисторные вольтметры и потенциометрические схемы - все это средства минимизации нагрузки на измеряемую цепь. Из этих методов потенциометрический («нулевой баланс») метод - единственный, способный установить ноль нагрузка на схему.
• детектор нуля это устройство, созданное для максимальной чувствительности к небольшим напряжениям или токам. Он используется в цепях потенциометрического вольтметра для индикации отсутствия напряжения между двумя точками, что указывает на состояние баланса между регулируемым источником напряжения и измеряемым напряжением.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Базовая таблица использования вольтметра