Как уже было сказано, большинство измерительных движителей являются чувствительными устройствами. Некоторые конструкции д'Арсонваля/Вестона рассчитаны на номинальную силу тока, отклоняющую стрелку на полной шкале всего на ''[[50 мкА]]'' при (внутреннем) сопротивлении проводки ''менее [[1000 Ом]]''. Что даёт вольтметру номинальную мощность ''всего [[50 милливольт]] ([[50 мкА]] X [[1000 Ом]])''! Чтобы создать вольтметр с более практичным диапазоном (т.е. чтобы вольтметр был рассчитан на гораздо более высокое напряжение) на основе подобных чувствительных движителей, нам придётся изыскать способ уменьшить измеряемую величину напряжения до уровня, с которым сможет работать механизм.
Как уже было сказано, большинство измерительных движителей являются чувствительными устройствами. Некоторые конструкции д'Арсонваля/Вестона рассчитаны на номинальную силу тока, отклоняющую стрелку на полной шкале всего на [[50 мкА]] при (внутреннем) сопротивлении проводки менее [[1000 Ом]]. Что даёт [[вольтметр]]у номинальную мощность всего [[50 милливольт]] ([[50 мкА]] X [[1000 Ом]])! Чтобы создать [[вольтметр]] с более практичным диапазоном (т.е. чтобы вольтметр был рассчитан на гораздо более высокое [[напряжение]]) на основе подобных чувствительных движителей, нам придётся изыскать способ уменьшить измеряемую величину напряжения до уровня, с которым сможет работать механизм.
== Измерительный движитель д'Арсонваля ==
== Измерительный движитель д'Арсонваля ==
Для начала взглянем, какие проблемы возникают в конструкции д'Арсонваля, если номинальный диапазон отклонения тока равен ''[[1 мА]]'', а сопротивление обмотки равно ''[[500 Ом]]'':
Для начала взглянем, какие проблемы возникают в конструкции д'Арсонваля, если номинальный диапазон отклонения тока равен [[1 мА]], а [[сопротивление]] обмотки равно [[500 Ом]]:
[[File:Схема измерительного движителя д’Арсонваля. Сопротивление обмотки 500 Ом_14112020_1642_1.jpg|frame|center|Рис. 1. Схема измерительного движителя д’Арсонваля. Сопротивление обмотки 500 Ом, номинальная сила тока для измерителя 1 мА.]]
[[File:Схема измерительного движителя д’Арсонваля. Сопротивление обмотки 500 Ом_14112020_1642_1.jpg|frame|center|'''Рис. 1.''' Схема измерительного движителя д’Арсонваля. Сопротивление обмотки 500 Ом, номинальная сила тока для измерителя 1 мА.|alt=Рис. 1. Схема измерительного движителя д’Арсонваля. Сопротивление обмотки 500 Ом, номинальная сила тока для измерителя 1 мА.]]
Используя закон Ома (''E = IR''), мы легко определяем, какое возникнет номинальное напряжение, если значение силы тока для данной шкалы будет максимальным:
Используя [[закон Ома]] (E = IR), мы легко определяем, какое возникнет номинальное [[напряжение]], если значение силы тока для данной шкалы будет максимальным:
'''E = IR = (1 мА) (500 Ом) = 0,5 В'''
E = IR = (1 мА) (500 Ом) = 0,5 В
Если бы всё, что нам было нужно, это прибор, который способен измерить пол-вольта, то этого простейшего измерительного механизма было бы более чем достаточно. Но для измерения более высоких уровней напряжения понадобится нечто более существенное. Чтобы получить эффективный диапазон вольтметра, превышающий номинальные пол-вольта, нам необходимо построить схему так, чтобы напряжение падало на измеряемом участке в точной пропорции в соответствии с возможностями измерителя. Это расширит диапазон измерений, в результате чего слабый прибор станет пригодным для гораздо более высоких напряжений. Соответственно, нам нужно будет перемаркировать шкалу на лицевой стороне измерителя, чтобы указать его новый диапазон измерения при подключеннии дополнительной схемы, в которой напряжение будет дозированным (но так как падение напряжение будет точно пропорциональным, то измерив небольшое напряжение на участке можно определить высокое напряжение на более общей цепи).
Если бы всё, что нам было нужно, это прибор, который способен измерить пол-вольта, то этого простейшего измерительного механизма было бы более чем достаточно. Но для измерения более высоких уровней напряжения понадобится нечто более существенное. Чтобы получить эффективный диапазон [[вольтметр]]а, превышающий номинальные пол-вольта, нам необходимо построить схему так, чтобы [[напряжение]] падало на измеряемом участке в точной пропорции в соответствии с возможностями измерителя. Это расширит диапазон измерений, в результате чего слабый прибор станет пригодным для гораздо более высоких напряжений. Соответственно, нам нужно будет перемаркировать шкалу на лицевой стороне измерителя, чтобы указать его новый диапазон измерения при подключеннии дополнительной схемы, в которой [[напряжение]] будет дозированным (но так как [[падение напряжения]] будет точно пропорциональным, то измерив небольшое [[напряжение]] на участке можно определить высокое [[напряжение]] на более общей цепи).
Но как создать необходимый контур, который будет дозировать напряжение? Что ж, если мы намерены позволить нашему измерительному движителю работать с большими напряжениями, чем он фактически может, нам нужна схема делителя напряжения, чтобы пропорционально распределить общее измеренное напряжение на меньшие доли в тех местах, где счётчик соединён с цепью. Из главы про правила Кирхгофа мы помним, что цепь с делителем напряжения строится путём добавления в неё последовательных сопротивлений. Поэтому мы к измерительному движителю последовательно подключаем резистор (при этом собственное внутреннее сопротивление механизма выступает в качестве второго сопротивления в делителе):
Но как создать необходимый [[контур]], который будет дозировать [[напряжение]]? Что ж, если мы намерены позволить нашему измерительному движителю работать с большими напряжениями, чем он фактически может, нам нужна схема делителя напряжения, чтобы пропорционально распределить общее измеренное [[напряжение]] на меньшие доли в тех местах, где счётчик соединён с цепью. Из главы про [[правила Кирхгофа]] мы помним, что цепь с делителем напряжения строится путём добавления в неё последовательных сопротивлений. Поэтому мы к измерительному движителю последовательно подключаем резистор (при этом собственное внутреннее сопротивление механизма выступает в качестве второго сопротивления в делителе):
[[File:Измерительный движитель д’Арсонваля, в котором используется делитель напряжения_14112020_1642_2.jpg|frame|center|Рис.2. Измерительный движитель д’Арсонваля, в котором используется делитель напряжения.]]
[[File:Измерительный движитель д’Арсонваля, в котором используется делитель напряжения_14112020_1642_2.jpg|frame|center|'''Рис.2.''' Измерительный движитель д’Арсонваля, в котором используется делитель напряжения.|alt=Рис.2. Измерительный движитель д’Арсонваля, в котором используется делитель напряжения.]]
== Умножители напряжения ==
== Умножители напряжения ==
Подстроечный последовательный резистор называется «умножителем напряжения», так как он кратно увеличивает рабочий диапазон измерительного движителя, когда пропорционально делит измеренное напряжение. Определить какое нужно значение сопротивления умножителя – вполне простая задача, если вы знаете, как провести анализ последовательной цепи.
Подстроечный последовательный [[резистор]] называется «умножителем напряжения», так как он кратно увеличивает рабочий диапазон измерительного движителя, когда пропорционально делит измеренное [[напряжение]]. Определить какое нужно значение сопротивления умножителя – вполне простая задача, если вы знаете, как провести анализ последовательной цепи.
Например, давайте рассчитаем параметры умножителя, для движителя, который пропускает ток силой в ''[[1 мА]]'' и имеющий сопротивление ''[[500 Ом]]'', чтобы на его полной шкале считывалось приложенное напряжение с максимальным значением в ''[[10 вольт]]''. Для этого сначала подготовим таблицу ''E/I/R'' для двух последовательных компонентов:
Например, давайте рассчитаем параметры умножителя, для движителя, который пропускает ток силой в [[1 мА]] и имеющий [[сопротивление]] [[500 Ом]], чтобы на его полной шкале считывалось приложенное [[напряжение]] с максимальным значением в [[10 вольт]]. Для этого сначала подготовим таблицу E/I/R для двух последовательных компонентов:
[[File:В первой колонке будут параметры движителя, во второй – подстроечного резистора (умножителя)_14112020_1643_3.jpg|frame|center|Рис. 3. Таблица E/I/R. В первой колонке будут параметры движителя, во второй – подстроечного резистора (умножителя).]]
[[File:В первой колонке будут параметры движителя, во второй – подстроечного резистора (умножителя)_14112020_1643_3.jpg|frame|center|'''Рис. 3.''' Таблица E/I/R. В первой колонке будут параметры движителя, во второй – подстроечного резистора (умножителя).|alt=Рис. 3. Таблица E/I/R. В первой колонке будут параметры движителя, во второй – подстроечного резистора (умножителя).]]
Мы знаем, что через счётчик проходит тока в ''[[1 мА]]'', и мы хотим, чтобы это происходило при приложенном (т.е. общем для всей последовательной цепи) напряжении в ''[[10 вольт]]''. Начинаем заполнять таблицу теми значениями, что нам известны:
Мы знаем, что через счётчик проходит тока в [[1 мА]], и мы хотим, чтобы это происходило при приложенном (т.е. общем для всей последовательной цепи) напряжении в [[10 вольт]]. Начинаем заполнять таблицу теми значениями, что нам известны:
[[File:Так как это последовательная цепь, то сила тока во всех колонках одинакова_14112020_1644_4.jpg|frame|center|Рис. 4. Таблица E/I/R. Так как это последовательная цепь, то сила тока во всех колонках одинакова. Известно также сопротивление самого прибора и максимальное напряжение, которое он должен измерять.]]
[[File:Так как это последовательная цепь, то сила тока во всех колонках одинакова_14112020_1644_4.jpg|frame|center|'''Рис. 4.''' Таблица E/I/R. Так как это последовательная цепь, то сила тока во всех колонках одинакова. Известно также сопротивление самого прибора и максимальное напряжение, которое он должен измерять.|alt=Рис. 4. Таблица E/I/R. Так как это последовательная цепь, то сила тока во всех колонках одинакова. Известно также сопротивление самого прибора и максимальное напряжение, которое он должен измерять.]]
Сопротивления умножителя можно вычислить разными способами. Один из них – сначала определить полное сопротивление цепи, используя закон Ома в столбце «Всего» (R = E/I). Учитывая, что у нас последовательная цепь, затем из получившегося значения вычитаем 500 Ом движителя, чтобы получить сопротивление умножителя:
Сопротивления умножителя можно вычислить разными способами. Один из них – сначала определить полное [[сопротивление]] цепи, используя [[закон Ома]] в столбце «Всего» (R = E/I). Учитывая, что у нас последовательная цепь, затем из получившегося значения вычитаем [[500 Ом]] движителя, чтобы получить сопротивление умножителя:
[[File:Сначала в последнем столбце с помощью закона Ома вычислили общее сопротивление_14112020_1644_5.jpg|frame|center|Рис. 5. Таблица E/I/R. Сначала в последнем столбце с помощью закона Ома вычислили общее сопротивление, затем, с учётом того, что это последовательная цепь, посчитали сопротивление умножителя.]]
[[File:Сначала в последнем столбце с помощью закона Ома вычислили общее сопротивление_14112020_1644_5.jpg|frame|center|'''Рис. 5.''' Таблица E/I/R. Сначала в последнем столбце с помощью закона Ома вычислили общее сопротивление, затем, с учётом того, что это последовательная цепь, посчитали сопротивление умножителя.|alt=Рис. 5. Таблица E/I/R. Сначала в последнем столбце с помощью закона Ома вычислили общее сопротивление, затем, с учётом того, что это последовательная цепь, посчитали сопротивление умножителя.]]
После чего, используя закон Ома в первых двух столбцах считаем напряжение:
После чего, используя [[закон Ома]] в первых двух столбцах считаем [[напряжение]]:
[[File:Высчитали напряжение для движителя и умножителя_14112020_1645_6.jpg|frame|center|Рис. 6. Таблица E/I/R. Высчитали напряжение для движителя и умножителя.]]
[[File:Высчитали напряжение для движителя и умножителя_14112020_1645_6.jpg|frame|center|'''Рис. 6.''' Таблица E/I/R. Высчитали напряжение для движителя и умножителя.|alt=Рис. 6. Таблица E/I/R. Высчитали напряжение для движителя и умножителя.]]
Есть и альтернативный способ рассчитать все значения в таблице. Сначала можно было вычислить по закону Ома (''E = IR'') напряжение для движителя. Затем, вычитая это напряжение из общего напряжения, получим напряжение для подстроечного резистора. Ну и затем, по закону Ома, вычисляем сопротивление для умножителя.
Есть и альтернативный способ рассчитать все значения в таблице. Сначала можно было вычислить по [[закону Ома]] (E = IR) [[напряжение]] для движителя. Затем, вычитая это [[напряжение]] из общего напряжения, получим напряжение для [[подстроечного резистора]]. Ну и затем, по закону Ома, вычисляем [[сопротивление]] для умножителя.
Любой способ, определяющий сопротивление резистора, даёт один и тот же ответ (''[[9,5 кОм]]''), и любой из двух методов можно использовать для проверки другого.
Любой способ, определяющий [[сопротивление]] [[резистор]]а, даёт один и тот же ответ ([[9,5 кОм]]), и любой из двух методов можно использовать для проверки другого.
[[File:Чтобы движитель с такими параметрами мог замерять напряжение в цепи, питающееся от 10-вольтовой батареи_14112020_1645_7.jpg|frame|center|Рис. 7. Чтобы движитель с такими параметрами мог замерять напряжение в цепи, питающееся от 10-вольтовой батареи, необходим дополнительный резистор с сопротивлением в 9,5 кОм.]]
[[File:Чтобы движитель с такими параметрами мог замерять напряжение в цепи, питающееся от 10-вольтовой батареи_14112020_1645_7.jpg|frame|center|'''Рис. 7.''' Чтобы движитель с такими параметрами мог замерять напряжение в цепи, питающееся от 10-вольтовой батареи, необходим дополнительный резистор с сопротивлением в 9,5 кОм.|alt=Рис. 7. Чтобы движитель с такими параметрами мог замерять напряжение в цепи, питающееся от 10-вольтовой батареи, необходим дополнительный резистор с сопротивлением в 9,5 кОм.]]
При подаче ровно ''[[10 вольт]]'' между измерительными проводами счётчика (от батареи или прецизионного источника питания) через измерительный движитель будет проходить ток ровно в ''[[1 мА]]'', что ограничивается [[резистор]]ом ''«умножителя»'' и собственным внутренним сопротивлением измерительного прибора. Пол-вольта приходится на сопротивление проволочной катушки механизма, и стрелка будет указывать на максимальное значение на полной шкале. Изменив маркировку шкалы так, чтобы она показывала ''от 0 до [[10 В]]'' (вместо ''от 0 до [[1 мА]]''), любой, кто считывает показания, интерпретирует полное отклонение стрелки как десять вольт. Обратите особое внимание, что пользователю измерителя совсем не обязательно вообще знать, что сам механизм фактически измеряет лишь незначительную часть этих десяти вольт от внешнего источника. Все, что имеет значение для пользователя – это то, что схема в целом работает для точного отображения общего приложенного напряжения.
При подаче ровно [[10 вольт]] между измерительными проводами счётчика (от [[батареи]] или [[прецизионного источника питания]]) через измерительный движитель будет проходить ток ровно в [[1 мА]], что ограничивается [[резистор]]ом «умножителя» и собственным внутренним сопротивлением измерительного прибора. Пол-вольта приходится на сопротивление проволочной катушки механизма, и стрелка будет указывать на максимальное значение на полной шкале. Изменив маркировку шкалы так, чтобы она показывала от 0 до [[10 В]] (вместо от 0 до [[1 мА]]), любой, кто считывает показания, интерпретирует полное отклонение стрелки как десять вольт. Обратите особое внимание, что пользователю измерителя совсем не обязательно вообще знать, что сам механизм фактически измеряет лишь незначительную часть этих десяти вольт от внешнего источника. Все, что имеет значение для пользователя – это то, что схема в целом работает для точного отображения общего приложенного напряжения.
Собственно, так и конструируются и используются практичные электрические счётчики: чувствительный механизм рассчитан для работы с минимальным напряжением и током, насколько это возможно для максимальной чувствительности, а затем его (счётчик) ''«обманывают»'' с помощью какой-то схемы делителя, построенной из прецизионных резисторов, в результате чего измеритель оперирует полной шкалой, хотя на общую схему в целом воздействует гораздо большее напряжение или ток. Мы рассмотрели здесь конструкцию простого вольтметра. Амперметры следуют тому же общему правилу, за исключением того, что используются параллельные ''«шунтирующие»'' [[резистор]]ы для создания цепи с делителем тока, в отличие от последовательно соединенных ''«умножительных»'' [[резистор]]ов делителя напряжения, используемых в конструкциях вольтметров.
{{ads2}}
Собственно, так и конструируются и используются практичные электрические счётчики: чувствительный механизм рассчитан для работы с минимальным [[напряжение]]м и током, насколько это возможно для максимальной чувствительности, а затем его (счётчик) «обманывают» с помощью какой-то схемы делителя, построенной из [[прецизионных резисторов]], в результате чего измеритель оперирует полной шкалой, хотя на общую схему в целом воздействует гораздо большее [[напряжение]] или ток. Мы рассмотрели здесь конструкцию простого [[вольтметр]]а. [[Амперметр]]ы следуют тому же общему правилу, за исключением того, что используются параллельные «шунтирующие» [[резистор]]ы для создания цепи с делителем тока, в отличие от последовательно соединенных «умножительных» [[резистор]]ов делителя напряжения, используемых в конструкциях [[вольтметр]]ов.
Как правило, полезно предусмотреть в схеме несколько диапазонов для электромеханического измерителя, такого как этот, что позволит ему считывать широкий диапазон напряжений с помощью одного двигательного механизма. Это достигается за счёт использования многополюсного переключателя и нескольких резисторов-умножителей, каждый из которых рассчитан на определенный диапазон напряжений:
Как правило, полезно предусмотреть в схеме несколько диапазонов для электромеханического измерителя, такого как этот, что позволит ему считывать широкий диапазон напряжений с помощью одного двигательного механизма. Это достигается за счёт использования многополюсного переключателя и нескольких резисторов-умножителей, каждый из которых рассчитан на определенный диапазон напряжений:
[[File:Многодиапазонный вольтметр. Можно переключиться на соответствующий подстроечный резистор_141120201645_8.jpg|frame|center|Рис. 8. Многодиапазонный вольтметр. Можно переключиться на соответствующий подстроечный резистор, чтобы движитель корректно работал с разными напряжениями.]]
[[File:Многодиапазонный вольтметр. Можно переключиться на соответствующий подстроечный резистор_141120201645_8.jpg|frame|center|'''Рис. 8.''' Многодиапазонный вольтметр. Можно переключиться на соответствующий подстроечный резистор, чтобы движитель корректно работал с разными напряжениями.|alt=Рис. 8. Многодиапазонный вольтметр. Можно переключиться на соответствующий подстроечный резистор, чтобы движитель корректно работал с разными напряжениями.]]
Пятипозиционный переключатель контактирует одновременно только с одним резистором. В самом нижнем положении (если стрелку на схеме повернуть по часовой стрелке, чтобы она указывала на «6 часов») он вообще не контактирует с резистором, обеспечивая состояние «выключено». Размер каждого резистора подбирается таким образом, чтобы обеспечить определённый полный диапазон для вольтметра, все из которых рассчитаны на конкретные номинальные характеристики измерительного движителя (в данном случае 1 мА, 500 Ом). Конечным результатом является вольтметр с четырьмя различными диапазонами полной шкалы измерения. Конечно, чтобы это можно было использовать на практике, шкала счётчика должна быть снабжена метками, соответствующими каждому диапазону.
Пятипозиционный переключатель контактирует одновременно только с одним [[резистор]]ом. В самом нижнем положении (если стрелку на схеме повернуть по часовой стрелке, чтобы она указывала на «6 часов») он вообще не контактирует с резистором, обеспечивая состояние «выключено». Размер каждого резистора подбирается таким образом, чтобы обеспечить определённый полный диапазон для [[вольтметр]]а, все из которых рассчитаны на конкретные номинальные характеристики измерительного движителя (в данном случае [[1 мА]], [[500 Ом]]). Конечным результатом является [[вольтметр]] с четырьмя различными диапазонами полной шкалы измерения. Конечно, чтобы это можно было использовать на практике, шкала счётчика должна быть снабжена метками, соответствующими каждому диапазону.
В такой конструкции измерителя значение каждого резистора определяется одним и тем же методом: используя известное общее напряжение, номинальное отклонения перемещения стрелки и сопротивления движителя. Для вольтметра с диапазонами ''[[1 вольт]], [[10 вольт]], [[100 вольт]] и [[1000 вольт]]'' сопротивления умножителей будут следующими:
В такой конструкции измерителя значение каждого резистора определяется одним и тем же методом: используя известное общее [[напряжение]], номинальное отклонения перемещения стрелки и сопротивления движителя. Для [[вольтметр]]а с диапазонами [[1 вольт]], [[10 вольт]], [[100 вольт]] и [[1000 вольт]] сопротивления умножителей будут следующими:
[[File:Многодиапазонный вольтметр. Рассчитаны сопротивления умножителей для разных значений номинального напряжения_14112020_1646_9.jpg|thumb|500px|center|Рис. 9. Многодиапазонный вольтметр. Рассчитаны сопротивления умножителей для разных значений номинального напряжения.]]
[[File:Многодиапазонный вольтметр. Рассчитаны сопротивления умножителей для разных значений номинального напряжения_14112020_1646_9.jpg|thumb|600px|center|'''Рис. 9.''' Многодиапазонный вольтметр. Рассчитаны сопротивления умножителей для разных значений номинального напряжения.|alt=Рис. 9. Многодиапазонный вольтметр. Рассчитаны сопротивления умножителей для разных значений номинального напряжения.]]
Обратите внимание на сопротивления умножителей, используемые для этих диапазонов: на то, что все они представляют из себя нечётное число, состоящее из одних девяток (в количестве ''от 0 до 3-х'') + пол-килоома. Маловероятно, что в корзине с деталями обнаружится прецизионный резистор ровно на ''[[999,5 кОм]]'', поэтому разработчики вольтметров часто выбирают вариант вышеупомянутой конструкции, в которой используются более распространённые значения [[резистор]]ов:
Обратите внимание на сопротивления умножителей, используемые для этих диапазонов: на то, что все они представляют из себя нечётное число, состоящее из одних девяток (в количестве от 0 до 3-х) + пол-килоома. Маловероятно, что в корзине с деталями обнаружится [[прецизионный резистор]] ровно на [[999,5 кОм]], поэтому разработчики [[вольтметр]]ов часто выбирают вариант вышеупомянутой конструкции, в которой используются более распространённые значения [[резистор]]ов:
[[File:Многодиапазонный вольтметр. Такая последовательность резисторов позволяет комбинировать их суммарные сопротивления_14112020_1646_10.jpg|thumb|500px|center|Рис. 10. Многодиапазонный вольтметр. Такая последовательность резисторов позволяет комбинировать их суммарные сопротивления, получая значения от 500 Ом до 999,5 кОм.]]
[[File:Многодиапазонный вольтметр. Такая последовательность резисторов позволяет комбинировать их суммарные сопротивления_14112020_1646_10.jpg|thumb|600px|center|'''Рис. 10.''' Многодиапазонный вольтметр. Такая последовательность резисторов позволяет комбинировать их суммарные сопротивления, получая значения от 500 Ом до 999,5 кОм.|alt=Рис. 10. Многодиапазонный вольтметр. Такая последовательность резисторов позволяет комбинировать их суммарные сопротивления, получая значения от 500 Ом до 999,5 кОм.]]
С каждым последовательно увеличивающимся диапазоном напряжения происходит переключение на всё большее количество резисторов-умножителей, в результате чего их последовательные сопротивления складываются до необходимой суммы. Например, если переключатель диапазона установлен в положение ''[[1000 вольт]]'', нам потребуется общее сопротивление умножителя ''[[999,5 кОм]]''. Благодаря такой конструкции счётчика мы получим именно это:
С каждым последовательно увеличивающимся диапазоном напряжения происходит переключение на всё большее количество [[резисторов-умножителей]], в результате чего их последовательные сопротивления складываются до необходимой суммы. Например, если переключатель диапазона установлен в положение [[1000 вольт]], нам потребуется общее [[сопротивление]] умножителя [[999,5 кОм]]. Благодаря такой конструкции счётчика мы получим именно это:
'''RВсего = R4 + R3 + R2 + R1 = 900 кОм + 90 кОм + 9 кОм + 500 Ом = 999,5 кОм'''
R<sub>Всего</sub> = R<sub>4</sub> + R<sub>3</sub> + R<sub>2</sub> + R<sub>1</sub> = 900 кОм + 90 кОм + 9 кОм + 500 Ом = 999,5 кОм
Преимущество такого подхода, конечно же, состоит в том, что отдельные сопротивления резисторов-умножителей встречаются чаще (''[[900 кОм]], [[90 кОм]], [[9 кОм]]''), чем некоторые из значений в первой схеме (''[[999,5 кОм]], [[99,5 кОм]], [[9,5 кОм]]''). При этом для пользователя счётчика заметной разницы в работоспособности не будет.
Преимущество такого подхода, конечно же, состоит в том, что отдельные сопротивления [[резисторов-умножителей]] встречаются чаще ([[900 кОм]], [[90 кОм]], [[9 кОм]]), чем некоторые из значений в первой схеме ([[999,5 кОм]], [[99,5 кОм]], [[9,5 кОм]]). При этом для пользователя счётчика заметной разницы в работоспособности не будет.
== Итог: ==
== Итог ==
* Расширенные диапазоны вольтметров созданы для чувствительных измерительных приборов посредством добавления последовательных резисторов-умножителей в электрической схеме движителя, что обеспечивает точный коэффициент деления напряжения.
* Расширенные диапазоны [[вольтметр]]ов созданы для чувствительных измерительных приборов посредством добавления последовательных резисторов-умножителей в электрической схеме движителя, что обеспечивает точный коэффициент деления напряжения.
=См.также=
=См.также=
{{ads}}
=Внешние ссылки=
=Внешние ссылки=
Строка 85:
Строка 87:
<references />
<references />
{{Навигационная таблица/Электроника}}
{{Навигационная таблица/Портал/Электроника}}
{{Навигационная таблица/Телепорт}}
[[Категория:Теория]]
[[Категория:Теория по электронике]]
[[Категория:Постоянный ток]]
[[Категория:Как устроен вольтметр]]
[[Категория:Измерения в электрических цепях постоянного тока]]
Как уже было сказано, большинство измерительных движителей являются чувствительными устройствами. Некоторые конструкции д'Арсонваля/Вестона рассчитаны на номинальную силу тока, отклоняющую стрелку на полной шкале всего на 50 мкА при (внутреннем) сопротивлении проводки менее 1000 Ом. Что даёт вольтметру номинальную мощность всего 50 милливольт (50 мкА X 1000 Ом)! Чтобы создать вольтметр с более практичным диапазоном (т.е. чтобы вольтметр был рассчитан на гораздо более высокое напряжение) на основе подобных чувствительных движителей, нам придётся изыскать способ уменьшить измеряемую величину напряжения до уровня, с которым сможет работать механизм.
Измерительный движитель д'Арсонваля
Для начала взглянем, какие проблемы возникают в конструкции д'Арсонваля, если номинальный диапазон отклонения тока равен 1 мА, а сопротивление обмотки равно 500 Ом:
Рис. 1. Схема измерительного движителя д’Арсонваля. Сопротивление обмотки 500 Ом, номинальная сила тока для измерителя 1 мА.
Используя закон Ома (E = IR), мы легко определяем, какое возникнет номинальное напряжение, если значение силы тока для данной шкалы будет максимальным:
E = IR = (1 мА) (500 Ом) = 0,5 В
Если бы всё, что нам было нужно, это прибор, который способен измерить пол-вольта, то этого простейшего измерительного механизма было бы более чем достаточно. Но для измерения более высоких уровней напряжения понадобится нечто более существенное. Чтобы получить эффективный диапазон вольтметра, превышающий номинальные пол-вольта, нам необходимо построить схему так, чтобы напряжение падало на измеряемом участке в точной пропорции в соответствии с возможностями измерителя. Это расширит диапазон измерений, в результате чего слабый прибор станет пригодным для гораздо более высоких напряжений. Соответственно, нам нужно будет перемаркировать шкалу на лицевой стороне измерителя, чтобы указать его новый диапазон измерения при подключеннии дополнительной схемы, в которой напряжение будет дозированным (но так как падение напряжения будет точно пропорциональным, то измерив небольшое напряжение на участке можно определить высокое напряжение на более общей цепи).
Но как создать необходимый контур, который будет дозировать напряжение? Что ж, если мы намерены позволить нашему измерительному движителю работать с большими напряжениями, чем он фактически может, нам нужна схема делителя напряжения, чтобы пропорционально распределить общее измеренное напряжение на меньшие доли в тех местах, где счётчик соединён с цепью. Из главы про правила Кирхгофа мы помним, что цепь с делителем напряжения строится путём добавления в неё последовательных сопротивлений. Поэтому мы к измерительному движителю последовательно подключаем резистор (при этом собственное внутреннее сопротивление механизма выступает в качестве второго сопротивления в делителе):
Рис.2. Измерительный движитель д’Арсонваля, в котором используется делитель напряжения.
Умножители напряжения
Подстроечный последовательный резистор называется «умножителем напряжения», так как он кратно увеличивает рабочий диапазон измерительного движителя, когда пропорционально делит измеренное напряжение. Определить какое нужно значение сопротивления умножителя – вполне простая задача, если вы знаете, как провести анализ последовательной цепи.
Например, давайте рассчитаем параметры умножителя, для движителя, который пропускает ток силой в 1 мА и имеющий сопротивление500 Ом, чтобы на его полной шкале считывалось приложенное напряжение с максимальным значением в 10 вольт. Для этого сначала подготовим таблицу E/I/R для двух последовательных компонентов:
Рис. 3. Таблица E/I/R. В первой колонке будут параметры движителя, во второй – подстроечного резистора (умножителя).
Мы знаем, что через счётчик проходит тока в 1 мА, и мы хотим, чтобы это происходило при приложенном (т.е. общем для всей последовательной цепи) напряжении в 10 вольт. Начинаем заполнять таблицу теми значениями, что нам известны:
Рис. 4. Таблица E/I/R. Так как это последовательная цепь, то сила тока во всех колонках одинакова. Известно также сопротивление самого прибора и максимальное напряжение, которое он должен измерять.
Сопротивления умножителя можно вычислить разными способами. Один из них – сначала определить полное сопротивление цепи, используя закон Ома в столбце «Всего» (R = E/I). Учитывая, что у нас последовательная цепь, затем из получившегося значения вычитаем 500 Ом движителя, чтобы получить сопротивление умножителя:
Рис. 5. Таблица E/I/R. Сначала в последнем столбце с помощью закона Ома вычислили общее сопротивление, затем, с учётом того, что это последовательная цепь, посчитали сопротивление умножителя.
Рис. 6. Таблица E/I/R. Высчитали напряжение для движителя и умножителя.
Есть и альтернативный способ рассчитать все значения в таблице. Сначала можно было вычислить по закону Ома (E = IR) напряжение для движителя. Затем, вычитая это напряжение из общего напряжения, получим напряжение для подстроечного резистора. Ну и затем, по закону Ома, вычисляем сопротивление для умножителя.
Любой способ, определяющий сопротивлениерезистора, даёт один и тот же ответ (9,5 кОм), и любой из двух методов можно использовать для проверки другого.
Рис. 7. Чтобы движитель с такими параметрами мог замерять напряжение в цепи, питающееся от 10-вольтовой батареи, необходим дополнительный резистор с сопротивлением в 9,5 кОм.
При подаче ровно 10 вольт между измерительными проводами счётчика (от батареи или прецизионного источника питания) через измерительный движитель будет проходить ток ровно в 1 мА, что ограничивается резистором «умножителя» и собственным внутренним сопротивлением измерительного прибора. Пол-вольта приходится на сопротивление проволочной катушки механизма, и стрелка будет указывать на максимальное значение на полной шкале. Изменив маркировку шкалы так, чтобы она показывала от 0 до 10 В (вместо от 0 до 1 мА), любой, кто считывает показания, интерпретирует полное отклонение стрелки как десять вольт. Обратите особое внимание, что пользователю измерителя совсем не обязательно вообще знать, что сам механизм фактически измеряет лишь незначительную часть этих десяти вольт от внешнего источника. Все, что имеет значение для пользователя – это то, что схема в целом работает для точного отображения общего приложенного напряжения.
Собственно, так и конструируются и используются практичные электрические счётчики: чувствительный механизм рассчитан для работы с минимальным напряжением и током, насколько это возможно для максимальной чувствительности, а затем его (счётчик) «обманывают» с помощью какой-то схемы делителя, построенной из прецизионных резисторов, в результате чего измеритель оперирует полной шкалой, хотя на общую схему в целом воздействует гораздо большее напряжение или ток. Мы рассмотрели здесь конструкцию простого вольтметра. Амперметры следуют тому же общему правилу, за исключением того, что используются параллельные «шунтирующие» резисторы для создания цепи с делителем тока, в отличие от последовательно соединенных «умножительных» резисторов делителя напряжения, используемых в конструкциях вольтметров.
Как правило, полезно предусмотреть в схеме несколько диапазонов для электромеханического измерителя, такого как этот, что позволит ему считывать широкий диапазон напряжений с помощью одного двигательного механизма. Это достигается за счёт использования многополюсного переключателя и нескольких резисторов-умножителей, каждый из которых рассчитан на определенный диапазон напряжений:
Рис. 8. Многодиапазонный вольтметр. Можно переключиться на соответствующий подстроечный резистор, чтобы движитель корректно работал с разными напряжениями.
Пятипозиционный переключатель контактирует одновременно только с одним резистором. В самом нижнем положении (если стрелку на схеме повернуть по часовой стрелке, чтобы она указывала на «6 часов») он вообще не контактирует с резистором, обеспечивая состояние «выключено». Размер каждого резистора подбирается таким образом, чтобы обеспечить определённый полный диапазон для вольтметра, все из которых рассчитаны на конкретные номинальные характеристики измерительного движителя (в данном случае 1 мА, 500 Ом). Конечным результатом является вольтметр с четырьмя различными диапазонами полной шкалы измерения. Конечно, чтобы это можно было использовать на практике, шкала счётчика должна быть снабжена метками, соответствующими каждому диапазону.
В такой конструкции измерителя значение каждого резистора определяется одним и тем же методом: используя известное общее напряжение, номинальное отклонения перемещения стрелки и сопротивления движителя. Для вольтметра с диапазонами 1 вольт, 10 вольт, 100 вольт и 1000 вольт сопротивления умножителей будут следующими:
Рис. 9. Многодиапазонный вольтметр. Рассчитаны сопротивления умножителей для разных значений номинального напряжения.
Обратите внимание на сопротивления умножителей, используемые для этих диапазонов: на то, что все они представляют из себя нечётное число, состоящее из одних девяток (в количестве от 0 до 3-х) + пол-килоома. Маловероятно, что в корзине с деталями обнаружится прецизионный резистор ровно на 999,5 кОм, поэтому разработчики вольтметров часто выбирают вариант вышеупомянутой конструкции, в которой используются более распространённые значения резисторов:
Рис. 10. Многодиапазонный вольтметр. Такая последовательность резисторов позволяет комбинировать их суммарные сопротивления, получая значения от 500 Ом до 999,5 кОм.
С каждым последовательно увеличивающимся диапазоном напряжения происходит переключение на всё большее количество резисторов-умножителей, в результате чего их последовательные сопротивления складываются до необходимой суммы. Например, если переключатель диапазона установлен в положение 1000 вольт, нам потребуется общее сопротивление умножителя 999,5 кОм. Благодаря такой конструкции счётчика мы получим именно это:
RВсего = R4 + R3 + R2 + R1 = 900 кОм + 90 кОм + 9 кОм + 500 Ом = 999,5 кОм
Преимущество такого подхода, конечно же, состоит в том, что отдельные сопротивления резисторов-умножителей встречаются чаще (900 кОм, 90 кОм, 9 кОм), чем некоторые из значений в первой схеме (999,5 кОм, 99,5 кОм, 9,5 кОм). При этом для пользователя счётчика заметной разницы в работоспособности не будет.
Итог
Расширенные диапазоны вольтметров созданы для чувствительных измерительных приборов посредством добавления последовательных резисторов-умножителей в электрической схеме движителя, что обеспечивает точный коэффициент деления напряжения.
_14112020_1643_3.jpg)
