Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

  • Вы здесь:
  • ГлавнаяКакое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра
  • Уроки начинающим Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра
  • Часть1 – Постоянный токКакое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра
  • 7. Измерительные приборыКакое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра
  • 3. Воздействие вольтметра на измеряемую цепь

3. Воздействие вольтметра на измеряемую цепь

Воздействие вольтметра на измеряемую цепь

Любой измерительный прибор в некоторой степени влияет на измеряемую цепь. Это влияние аналогично воздействию манометра на давление в шинах, при измерении которого незначительная часть воздуха высвобождается. Несмотря на то, что такое влияние неизбежно, оно может быть минимизировано грамотной конструкцией измерительного прибора.

Так как вольтметр всегда подсоединяется параллельно компоненту или группе компонентов измеряемой схемы, любой проходящий через него ток будет оказывать влияние на общий ток этой схемы, а значит и на измеряемое напряжение . Не "забирает" ток от тестируемой цепи только идеальный вольтметр, потому что он имеет бесконечное сопротивление. Однако, идеальные вольтметры существуют только на страницах учебников, в реальной жизни их нет. Давайте возьмем следующую схему делителя напряжения, и на ее примере рассмотрим влияние вольтметра на измеряемую цепь:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Пока вольтметр не подключен к данной цепи, напряжение на каждом из резисторов составляет 12 вольт (два резистора одинаковой величины делят исходное напряжение ровно пополам). Ели мы подключим вольтметр с внутренним сопротивлением 10 МОм (стандартная величина современных цифровых вольтметров) к нижнему резистору схемы, то создадим своего рода параллельное соединение двух сопротивлений:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Это действие понизит сопротивление нижнего эквивалентного резистора (параллельно соединенные сопротивления 250 и 10 МОм) до 9,615 МОм, что кардинальным образом изменит распределение напряжений в схеме. На нижнем резисторе напряжение теперь будет гораздо меньше чем прежде, а на верхнем – гораздо больше:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Делитель напряжения с сопротивлениями резисторов 250 и 9,615 МОм разделит напряжение источника питания 24В на две части – 23,1111 и 0,8889 вольт соответственно. Так как вольтметр является частью сопротивления 9,615 МОм, его индикатор покажет напряжение 0,8889 вольт.

Вольтметр не может "знать", что до его подключения к цепи напряжение на нижнем резисторе (сопротивлением 250 МОм) имело величину 12 вольт. Сам факт подключения вольтметра к схеме делает его частью этой схемы, а значит собственное сопротивление вольтметра изменяет соотношение сопротивлений делителя, влияя тем самым на измеряемое напряжение.

Если провести аналогию последнего примера с измерением давления в шинах, то то манометру для работы потребуется такое количество воздуха, что в процессе измерения он практически весь выйдет наружу. Количество воздуха, потребляемого манометром при измерении давления в шинах аналогично количеству тока, потребляемого вольтметром при измерении напряжения. Чем меньше воздуха требует манометр для своей работы, тем меньше он будет сдувать шины в процессе измерения. Чем меньше тока для свое работы требует вольтметр, тем меньшую нагрузку он оказывает на тестируемую цепь.

Такой эффект называется нагрузочным, и он в определенной степени присутствует в каждом случае использования вольтметра, заставляя его отображать напряжение меньше истинного. Выше нами был рассмотрен наихудший сценарий, в котором сопротивление вольтметра значительно ниже сопротивлений резисторов делителя. Очевидно, чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше нагрузка на тестируемую цепь. Именно поэтому идеальный вольтметр имеет бесконечное внутреннее сопротивление.

Для вольтметров с электромеханическими индикаторами количественное влияние нагрузочного эффекта на измеряемую цепь выражается через их чувствительность, которая оценивается в "омах на вольт" (Ом/В). Это делается потому, что такие вольтметры для разных диапазонов измерения используют разные резисторы, благодаря чему их внутренне сопротивление будет изменяться в зависимости от диапазона. Цифровые вольтметры, в отличие от электромеханических, вне зависимости от диапазона измерения имеют постоянное сопротивление (но не всегда), поэтому влияние нагрузочного эффекта на измеряемую цепь для них выражается через внутреннее сопротивление, которое оценивается в Омах.

Чувствительность вольтметра ( Ом / В) показывает величину множителя, на который нужно умножить сопротивление резистора, чтобы увеличить шкалу измерителя на 1 В. В качестве примера давайте возьмем схему вольтметра из предыдущей статьи:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Для диапазона измерения 1000 В, общее внутреннее сопротивление этого вольтметра будет равно 1 МОм (999,5 кОм + 500 Ом), что даст нам чувствительность 1000000 Ом на 1000 вольт или 1000 Ом на вольт (1кОм/В). Эта чувствительность будет постоянной для любого диапазона данного прибора:

Читать также:  Жареное мороженое что это такое

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Проницательный наблюдатель заметит, что чувствительность (Ом/В) любого индикатора определяется единственным фактором – его номинальным (предельным) током, который в нашем случае составляет 1 мА. К такому выводу можно прийти, если учесть следующее: величина "Ом/В" математически обратна величине "В/Ом", которая по закону Ома представляет собой силу тока (I = U/R). Отсюда следует, что номинальный ток индикатора, определяющий его чувствительность, не зависит диапазонов измерений, которыми оснащен вольтметр посредством добавочных резисторов. В нашем случае номинальный ток индикатора величиной 1 мА дает вольтметру чувствительность 1000 Ом/В в независимости от выбранного диапазона измерений.

Чтобы свести к минимуму нагрузку вольтметра на любую тестируемую схему, нужно минимизировать номинальный ток индикатора. Для достижения этой цели можно заменить индикатор на более чувствительный (которому требуется меньше тока для полного отклонения стрелки), но такой компромисс повлечет за собой потерю прочности, так как более чувствительный индикатор будет более хрупким.

Другой подход к решению данной проблемы заключается в использовании специальной схемы, которая увеличит подаваемый на индикатор ток, снизив при этом ток, потребляемый прибором от схемы в процессе измерения. Такая схема называется усилителем постоянного тока:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Конструкция усилителя достаточно сложна для рассмотрения на данном этапе, поэтому достаточно будет сказать, что его схема позволяет измеряемому напряжению контролировать количество тока, поставляемого на индикатор от внутреннего источника питания (например батареи). Таким образом, потребность индикатора в токе удовлетворяется за чет внутренней батареи вольтметра, а не за счет тестируемой цепи. Вольтметр, использующий усилитель постоянного тока, по прежнему будет нагружать схему в процессе измерения, но эта нагрузка будет в сотни или тысячи раз меньше, чем у вольтметра без усилителя.

До появления полупроводниковых приборов, известных как полевые транзисторы, в качестве усилительных устройств этих приборов использовались электронные лампы. Такие ламповые вольтметры когда то были очень популярными инструментами для проведения измерений и тестирования схем.

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

В настоящее время задачу усиления тока в цифровых измерительных приборах выполняют схемы на полупроводниковых транзисторах. Несмотря на то, что такая конструкция (использование усилителя для повышения измеряемого тока) очень хорошо работает, она значительно усложняет прибор и делает непонятной его работу для начинающих радиолюбителей.

Простым и гениальным решением проблемы нагрузочного эффекта, создаваемого вольтметром, является использование потенциометрического инструмента или инструмента нулевого баланса. Этот метод не требует продвинутых электронных схем и чувствительных устройств, таких как транзисторы или электронные лампы, но он предполагает активное участие и мастерство пользователя. Принцип работы потенциометрического инструмента состоит в следующем. Берется отдельный источник питания с регулируемым напряжением и через детектор "нуля" подключается к тем точкам цепи, где нужно измерить напряжение. После этого напряжение регулируемого источника настраивается на измеряемое напряжение, равенство которых покажет детектор "нуля". В некоторых схемах, для регулировки напряжения используется прецизионный потенциометр, поэтому их и назвали потенциометрическими инструментами. Если эти два напряжения будут равны, то вольтметр в процессе измерения будет потреблять нулевой ток от тестируемой цепи, не оказывая на нее никакого влияния. Давайте рассмотрим как все это работает на примере вышеупомянутой схемы делителя напряжения:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Детектор "нуля" представляет собой чувствительное устройство, способное регистрировать наличие очень малых напряжений. Если в качестве такого детектора используется электромеханический индикатор, то он должен быть чувствительным к полярности (его стрелка должна находиться в центре шкалы, и в зависимости от полярности напряжения отклоняться в ту или иную сторону). Поскольку целью детектора является указание на состояние нулевого напряжения, разметка шкалы его индикатора не имеет особого значения.

Самый простой детектор "нуля" можно построить на базе обычных наушников, динамики которых будут выступать в роли своеобразного индикатора. В момент подачи на наушники напряжения, поток электронов переместит диффузоры динамиков и вы услышите в них щелчок. Еще один щелчок вы услышите при отключении источника напряжения. Таким образом, детектор "нуля" можно сделать из наушников и кнопочного переключателя:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Если для этой цели использовать наушники сопротивлением 8 Ом, то их чувствительность может быть увеличена при помощи трансформатора. В основе работы трансформатора лежит принцип электромагнетизма, который преобразует уровни пульсирующих напряжений и токов. В нашем случае можно применить понижающий трансформатор, который преобразует импульсы небольшого тока (созданные путем нажатия и отжатия кнопочного переключателя) в более высокие, что обеспечит более эффективное управление диффузорами наушников. Трансформатор с соотношением сопротивлений 1000 : 8 идеально подойдет для этой цели. Помимо прочего, трансформатор накапливает энергию слаботочного сигнала в своем магнитном поле, чтобы потом, при нажатии кнопки, выбросить ее в динамики наушников, повышая тем самым чувствительность детектора. Таким образом, использование трансформатора делает щечки громче, что позволяет обнаружить слабые сигналы:

Читать также:  Как подключить шунт к амперметру

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Ниже приведена схема, в которой в качестве детектора "нуля" выступают наушники, трансформатор и кнопочный переключатель:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Детектор "нуля" работает подобно лабораторным весам, он показывает только равенство двух напряжений (его отсутствие между точками 1 и 2), и ничего больше. Лабораторные весы показывают равенство между неизвестной массой и кучей стандартных (калиброванных) масс:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

Детектор покажет равенство напряжений между точками 1 и 2 в том случае, если напряжение регулируемого источника питания будет равно напряжению на резисторе R2 (смотри второй закон Кирхгофа ).

Для работы с потенциометрическим инструментом необходимо таким образом настроить регулируемый источник питания, чтобы индикатор детектора "нуля" показал нулевое значение (при использовании наушников нужно добиться прекращения щелчков путем многократных нажатий на кнопочный переключатель). Только после этого можно зафиксировать значение измеренного вольтметром напряжения:

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра

При использовании потенциометрического инструмента вольтметру не нужен высокочувствительный индикатор, потому что он измеряет напряжение не в схеме, а на регулируемом источнике питания, напряжение которого приравнивается к измеряемому с помощью детектора "нуля". Весь необходимый для работы вольтметра ток поставляется все тем же регулируемым источником питания. Так как напряжение на детекторе "нуля" в этом случае будет нулевое, то и ток между точками 1 и 2 будет равен нулю, а это значит, что нагрузки на схему в процессе измерения практически не будет.

Еще раз повторимся, что этот метод, выполненный надлежащим образом, создаст почти нулевую нагрузку на измеряемую цепь. В идеале он вообще не должен нагружать схему, но для достижения такого результата на детекторе "нуля" должно быть абсолютно нулевое напряжение, которое потребует бесконечно чувствительного индикатора и идеального баланса напряжений. Несмотря на практическую невозможность достижения абсолютно нулевой нагрузки на тестируемую схему, потенциометрические инструменты являются отличным решением для измерения напряжений в высокоомных цепях. В отличие от электронных усилителей тока, которые решают эту проблему с помощью передовых технологий, потенциометрический метод достигает гипотетически идеального результата базируясь только на втором законе Кирхгофа .

Электроника, электротехника. Профессионально-любительские решения.

Принцип измерения

Если для измерения постоянного напряжения Вы пользуетесь вольтметром с измерительной головкой магнитоэлектрической системы, то обращали внимание, что при неправильной полярности подключения щупов вольтметра к источнику измеряемого напряжения, стрелка измерительной головки отклоняется в обратную сторону за нуль и зашкаливает. Если таким прибором попытаться измерить переменное напряжение частотой около 50 Гц и выше, стрелка может слегка дёрнуться в первоначальный момент времени, но после будет указывать на ноль. Ненулевое значение будет говорить о наличии постоянной составляющей напряжения.

Самый простой способ выйти из положения – преобразовать переменное напряжение в постоянное, то есть выпрямить его. Это легко сделать с помощью одного единственного диода, как показано в статье "Элементарный выпрямитель на одном диоде". Если желаете измерить напряжение более-менее точно, для выпрямления можно использовать диодный мост.

Схемы измерения

Причина такого поведения магнитоэлектрического измерительного прибора при измерении переменного напряжения проста. В таких приборах присутствует постоянный магнит, а направление отклонения стрелки прибора зависит от направления протекания тока в катушке поворачивающейся рамки. В момент положительного полупериода стрелка прибора пытается отклониться в одну сторону, отрицательного – в другую. При достаточно частой смене полярности, например как в потребительской сети 50 Гц, стрелка просто не успевает отклониться в одну сторону, как вдруг ей нужно отклоняться в обратную. При этом можно заметить просто дрожание стрелки, или не заметить ни чего.

Измерительные головки электромагнитной системы в устройстве своём не имеют постоянного магнита, а их принцип действия основан на явлении втягивания предмета из намагничивающегося материала в область центра катушки с током. Направление действия катушки с током на намагничивающийся объект не зависит от направления тока в обмотке катушки. Поэтому такие приборы легко измеряют как постоянный, так и переменный ток или напряжение.

Если у Вас возникла необходимость измерить напряжение в сети переменного тока, а под рукой только прибор с измерительной головкой магнитоэлектрической системы (с постоянным магнитом), то можно просто выйти из положения, имея под рукой хотя бы один выпрямительный диод с обратным напряжением не ниже амплитудного значения предположительно измеряемой величины. Для этого рассмотрим две схемы.

Читать также:  Проверка емкости батарейки мультиметром

Схема с одним диодом

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра Менее точный, но предельно простой вариант. Всё, что нужно, это подключить один из щупов прибора через выпрямительный диод. При этом следует учесть, что к клемме приора с положительной полярностью диод должен быть подключен катодом (к отрицательной – анодом). При действии положительного полупериода стрелку будет отклонять измеряемая величина напряжения в нужную нам сторону. Во время отрицательного полупериода диод будет запираться, разрывая цепь прибора с источником напряжения, которое уже не подействует на стрелку прибора в обратном направлении.

Особенность измерения схемой с одним диодом

Определение значения величины. При измерении по рассмотренной схеме следует учесть, что прибор реагирует только во ремя одного полупериода, и покажет величину в два раза меньше действительного действующего значения напряжения. То есть, если при измерении напряжения такой схемой прибор показал значение 110 В, это показание нужно умножить на два, и получите то, что Вы измерили.

Выбор диода. Для правильного выбора диода нам нужно обязательно учесть обратное напряжение диода, которое должно быть больше амплитудного значения измеряемой величины, иначе диод может пробить, и прибор перестанет показывать, или может врать на несколько порядков. Например, мы собираемся измерить напряжение в розетке. При указании класса напряжения оборудования указывается действующая величина. Чтобы узнать амплитудное значение, нужно действующую величину умножить на корень из двух: . Напряжение потребительской сети 220 В. Амплитуда напряжения будет 220×1,41=311 В. В нашем случае вполне подойдут выпрямительные диоды с обратным напряжением 400 В и выше. Ниже не желательно, т.к. в случае перенапряжения в сети, амплитуда напряжения может превысить обратное напряжение диода, произойдёт необратимый пробой p-n перехода и диод выйдет из строя.

Кроме того, не выбирайте мощные диоды, чем меньше мощность, тем лучше. У мощных диодов большая площадь p-n перехода, который в запертом состоянии может вести себя как обкладки конденсатора. Таким образом, в отрицательный полупериод может сказаться ёмкостная проводимость, и показания прибора окажутся несколько занижены. Чем больше частота измеряемого напряжения, тем больше влияние, особенно при использовании высокоомных чувствительных измерительных головок.

Схема с диодным мостом

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметра Более сложный вариант, но позволяющий измерять электрические величины более точно. Для этого потребуется 4 диода, либо готовый диодный мост. Принцип работы схемы аналогичен первому варианту, но здесь измерительный элемент чувствует оба полупериода напряжения, которые действуют на него однонаправлено, и прибор показывает действующее значение напряжения. То есть, показания прибора будут соответствовать действительности.

Выбор диодов или диодного моста аналогичен первому случаю.

Меры предосторожности

При модификации Вашего прибора указанными способами, уделите особое внимание безопасности. Диоды или диодный мост используемые в схемах, а так же контактные места рассечки проводов, щупов прибора, клеммы вольтметра должны быть надёжно заизолированы, чтобы предотвратить поражение электрическим током при случайном прикосновении к токоведущим частям прибора во время измерения.

28.04.2012, 17:04

Какое напряжение будет показывать вольтметр
какое напряжение будет показывать вольтметр

Какое напряжение покажет вольтметр, подключенный к зажимам одного из элементов
круг из трех одинаковых последовательно соединенных элементов эдс и внутренним сопротивлением r.

Что показывает вольтметр?
Здравствуйте, подскажите, пожалуйста, в этой схеме вольтметр показывает напряжение на неидеальном.

Какое напряжение на резисторе R2
какое напряжение на резисторе R2, если R1 = 2.5 Ом R2 = 1.5 Ом R3 = 4 Ом? Сила тока в резисторе R3.

Какое напряжение следует приложить
На рисунке представлена схема фрагмента электрической цепи, состоящего из четырёх резисторов и.

28.04.2012, 18:17228.04.2012, 18:17

Какое напряжение установится между обкладками конденсатора
Конденсатор, заряженный до напряжения U = 200В, соединен с незаряженным конденсатором такой же.

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметраКакое максимальное напряжение выдерживает последовательная цепочка конденсаторов?
Конденсатор С=1 мкФ выдерживает максимальное напряжение Um1=500 В, а конденсатор С=2 мкФ.

Какое постоянное напряжение приблизительно покажут оба вольтметраКакое напряжение надо приложить к катушке, имеющей 1000 витков
Какое напряжение надо приложить к катушке, имеющей 1000 витков медной проволоки со средним.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *