Электроника:Постоянный ток/Измерения в электрических цепях постоянного тока/Как вольтметр влияет на измеряемую цепь

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Как вольтметр влияет на измеряемую цепь[1]

Каждый измеритель в некоторой степени влияет на контур, который он измеряет, точно так же, как любой манометр слегка изменяет измеренное давление в шине, поскольку при подключении измерительного прибора немного стравливается воздух. Хотя некоторые потери в любом случае неизбежны, их можно минимизировать за счёт удачной конструкции расходомера.

Схема делителя напряжения

Поскольку вольтметры всегда подключаются параллельно тестируемому компоненту или компонентам, любой ток, проходящий через вольтметр, будет создавать погрешность для значения общей силы тока на тестируемом участке цепи, потенциально влияя на измеряемое напряжение. Идеальный вольтметр имеет бесконечное сопротивление, в этом случае он вообще не потребляет ток из тестируемой цепи. Однако идеальные вольтметры существуют только на страницах учебников, а не в реальной жизни! Возьмём следующую схему делителя напряжения в качестве крайнего примера того, как реалистичный вольтметр может повлиять на схему, которую он измеряет:

Рис. 1. Схема делителя напряжения.
Рис. 1. Схема делителя напряжения.

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

Рис. 2. Вольтметр вместе с нижним резистором создаёт параллельную подцепь.
Рис. 2. Вольтметр вместе с нижним резистором создаёт параллельную подцепь.

Это имеет заметный эффект: сопротивление нижней части схемы (где находятся нижний резистор и подключённый к нему вольтметр) падает с 250 МОм до 9,615 МОм (250 МОм и 10 МОм параллельны и их общее сопротивление рассчитывается по соответствующей формуле), что резко перераспределит напряжение в цепи. На нижнем резисторе теперь будет намного меньше напряжения, чем было до подключения вольтметра, а на верхнем резисторе - намного больше.

Рис. 3. После подключения вольтметра напряжение на обоих резисторах теперь не по 12 вольт.
Рис. 3. После подключения вольтметра напряжение на обоих резисторах теперь не по 12 вольт.

Делитель измеряемого 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 именно это и покажет: 0,8889 вольт.

Теперь вольтметр может показывать напряжение только того участка, к которому он подключен. Он не «знает», что на нижнем резисторе 250 МОм упал потенциал с 12 вольт до того, как измеритель был подключен к этому участку. Сам факт подключения вольтметра к цепи делает его частью цепи, а собственное сопротивление вольтметра изменяет соотношение сопротивлений цепи делителя напряжения, следовательно, влияет на измеряемое напряжение.

Как работает вольтметр?

Представьте себе использование манометра в шинах, для работы которого требуется настолько большой объём воздуха, что он может спустить воздух из любой шины, к которой он подключен. Количество воздуха, потребляемого манометром во время измерения давления в шине, аналогично току, затрачиваемому движителем вольтметра для того, чтобы переместить стрелку вдоль шкалы. 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 стрелки, тем меньше он нагружает тестируемую цепь.

Этот эффект называется нагрузкой, и он в той или иной степени присутствует в каждом случае использования вольтметра. Показанный здесь сценарий является наихудшим, когда сопротивление вольтметра существенно ниже, чем сопротивление резистора. Некоторая степень нагрузки присутствует всегда, из-за чего счётчик показывает напряжение ниже фактического. Очевидно, что чем выше сопротивление вольтметра, тем меньше нагрузка на тестируемую цепь, и поэтому идеальный вольтметр имеет бесконечное внутреннее сопротивление.

Вольтметрам с электромеханическими механизмами обычно присваиваются значения в диапазоне «Ом на вольт», чтобы обозначить величину нагрузки на цепь, создаваемой током, потребляемым движителем. Поскольку подобные измерители полагаются на разные значения резисторов-умножителей для получения разных диапазонов измерения, их сопротивление между выводами будет изменяться в зависимости от того, на какой диапазон они установлены. Цифровые вольтметры, с другой стороны, часто демонстрируют постоянное сопротивление на измерительных выводах независимо от настройки диапазона (но не всегда!). Поэтому они обычно измеряются просто в омах входного сопротивления, а не чувствительности «Ом на вольт».

«Ом на вольт» означает, что сколько Ом сопротивления между выводами приходится на каждый вольт диапазона, установленного на селекторном переключателе. В качестве примера возьмем наш пример вольтметра из последнего раздела:

Рис. 4. Пример вольтметра, рассмотренного в предыдущем разделе.
Рис. 4. Пример вольтметра, рассмотренного в предыдущем разделе.

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

Рис. 5. Рейтинг чувствительности Ом на вольт не меняется при переключении на другой рабочий диапазон.
Рис. 5. Рейтинг чувствительности Ом на вольт не меняется при переключении на другой рабочий диапазон.

Проницательный читатель заметит, что номинальное сопротивление любого измерителя определяется одним фактором: силой тока для полной шкалы механизма, в данном случае 1 мА. «Ом на вольт» – это математическая величина, обратная «вольту на Ом», которая определяется законом Ома как сила тока (I = E/R). Следовательно, сила тока на полной шкале движителя определяет чувствительность измерителя Ом/вольт, независимо от того, какие диапазоны разработчик предусмотрел с помощью резисторов-умножителей. В этом случае номинальная сила тока для полной шкалы измерительного механизма в 1 мА даёт ему чувствительность вольтметра 1000 Ом/В независимо от того, как мы измеряем его с помощью резисторов-умножителей.

Чтобы свести к минимуму нагрузку вольтметра на любую схему, разработчик должен стремиться минимизировать потребление тока его движителя. Это может быть достигнуто если изменить саму конструкцию для обеспечения максимальной чувствительности (меньше тока требуется для полного отклонения стрелки на шкале), но здесь нужно соблюсти компромисс: ведь более чувствительный механизм и более хрупок.

Другой подход – это усиление тока, именно того, который подаётся на прибор, тогда от самой тестируемой цепи требуется очень небольшой по силе ток. Эта специальная электронная схема известна как усилитель, а построенный таким образом вольтметр является усиленным вольтметром.

Рис. 6. Усиленный вольтметр.
Рис. 6. Усиленный вольтметр.

Внутренняя работа усилителя слишком сложна, чтобы обсуждать её здесь и сейчас, но достаточно сказать, что схема позволяет измеренному напряжению контролировать, какая сила тока от батареи направляется на движитель счётчика. Таким образом, потребность механизма в токе в основном обеспечивается внутренней батареей самого вольтметра, а не источником питания проверяемой схемы. Усилитель по-прежнему нагружает тестируемую цепь в некоторой степени, но такая нагрузка обычно в сотни или даже тысячи раз меньше, чем нагрузка от измерительного движителя.

Вольтметры с вакуумной трубкой (ВВТ)

До появления полупроводников, известных как полевые (униполярные) транзисторы, вакуумные трубки использовались в качестве усилительных устройств. Такие вольтметры с вакуумной трубкой (ВВТ) когда-то были очень популярными приборами для электронных испытаний и измерений. Вот фотография очень старого ВВТ с трубкой в открытом виде!

Рис. 7. Старый вольтметр с вакуумной трубкой.
Рис. 7. Старый вольтметр с вакуумной трубкой.

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 нуль-балансировочный индикатор. Это не требует продвинутых (электронных) схем или чувствительных устройств, таких как транзисторы или электронные лампы, но понадобится больше усилий опытного технического специалиста. В потенциометрическом приборе прецизионно регулируемый источник напряжения сравнивается с измеренным напряжением, а чувствительное устройство, называемое нуль-индикатором, используется для индикации равенства двух напряжений.

В некоторых схемных решениях для обеспечения регулируемого напряжения используется прецизионный потенциометр, такие схемы ещё называют потенциометрическими. Если напряжения равны, из проверяемой цепи будет подаваться нулевой ток, и, следовательно, на измеренное напряжение это не влияет. Легко показать, как это работает, на нашем последнем примере – схеме высоковольтного делителя напряжения:

Рис. 8. Измерение напряжения с помощью потенциометра.
Рис. 8. Измерение напряжения с помощью потенциометра.

Нуль-индикатор

«Нуль-индикатор» – это чувствительное устройство, способное указывать на наличие очень малых напряжений. Если в качестве нуль-индикатора используется электромеханический датчик, он будет иметь пружинно-центрированную стрелку, которая может отклоняться в любом направлении, чтобы быть полезной для индикации напряжения любой полярности. Поскольку цель нуль-индикатора – точно указать состояние нулевого напряжения (т.е. отсутствие напряжения), а не указывать какую-либо конкретную (ненулевую) величину, как это делал бы обычный вольтметр, – то шкала используемого прибора не имеет значения. Нуль-индикаторы обычно разрабатываются так, чтобы быть максимально чувствительными, дабы более точно указывать на «нулевое» или «равновесное» (т.е. имеющее нулевое напряжение) состояние.

Чрезвычайно простой тип нуль-индикатора – это аудионаушники, динамики которых выступают в роли своего рода измерительного движителя. Когда к динамику изначально подаётся постоянное напряжение, возникающий через него ток будет перемещать диффузор динамика и производить слышимый щелчок. При отключении источника постоянного тока будет слышен ещё один щелчок. Основываясь на этом принципе, чувствительный нуль-индикатор может быть сделан просто из наушников и переключателя мгновенного действия:

Рис. 9. Нуль-индикатор, состоящий из наушников и переключателя мгновенного действия.
Рис. 9. Нуль-индикатор, состоящий из наушников и переключателя мгновенного действия.

Если для этой цели используются 8-омные наушники, их чувствительность можно значительно повысить, подключив к трансформатору. В трансформаторе используются принципы электромагнетизма для преобразования (трансформации) уровней напряжения и силы тока в импульсы электрической энергии. В этом случае тип используемого прибора – понижающий трансформатор. Он преобразует слаботочные импульсы (создаваемые путем замыкания и размыкания 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 (т.е. полного сопротивления) 1000:8 идеально подходит для этой цели. Трансформатор также увеличивает чувствительность индикатора, 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:

Рис. 10. Если использовать наушники вместе с трансформатором аудиовыхода, то получится ещё более чувствительный нуль-индикатор.
Рис. 10. Если использовать наушники вместе с трансформатором аудиовыхода, то получится ещё более чувствительный нуль-индикатор.

Подключенное к потенциометрической схеме устройство переключатель/трансформатор/наушники используется в качестве нуль-индикатора:

Рис. 11. Переключатель, трансформатор, наушники – составляющие нуль-индикатора на данной схеме.
Рис. 11. Переключатель, трансформатор, наушники – составляющие нуль-индикатора на данной схеме.

Назначение любого нуль-индикатора – действовать как лабораторные весы, показывая, когда два напряжения равны (т.е. если наблюдается отсутствие напряжения между точками 1 и 2) и ничего более. Балансир лабораторных весов фактически ничего не весит; скорее, это просто указывает на равенство между неизвестной массой и набором стандартных (калиброванных) масс (или попросту - гирек).

Рис. 12. Балансир для лабораторных весов
Рис. 12. Балансир для лабораторных весов

Аналогично и нуль-индикатор просто указывает, когда напряжения между точками 1 и 2 равно, что (согласно правилу Кирхгофа о напряжении) будет происходить, когда регулируемый источник напряжения (на схемах обозначается символом источника питания с диагональной стрелкой, проходящей через него) точно равен перепаду напряжения для резистора R2.

При работе с этим прибором техник вручную регулирует выход прецизионного источника напряжения до тех пор, пока нуль-индикатор не показывает точно ноль (при использовании аудионаушников в качестве нуль-индикатора, техник несколько раз щёлкает кнопочный переключатель, прислушиваясь к тишине, чтобы определить, является ли схема «сбалансированной»). Затем отмечается напряжение источника, показываемое вольтметром, подключенным к прецизионному источнику напряжения. Это показание и является напряжением на нижнем резисторе 250 МОм:

Рис. 13. Определение напряжения на нижнем резисторе с помощью нуль-индикатора.
Рис. 13. Определение напряжения на нижнем резисторе с помощью нуль-индикатора.

Вольтметр, используемый для прямого измерения прецизионного источника, не обязательно должен иметь чрезвычайно высокую чувствительность Ом/вольт, поскольку источник питания генерирует весь ток, необходимый для работы. Пока на нуль-индикаторе имеется нулевое напряжение, между точками 1 и 2 будет нулевой ток, что означает отсутствие нагрузки на тестируемую схему делителя.

Стоит ещё раз подчеркнуть тот факт, что данный метод при правильном выполнении практически не нагружает измеряемую цепь. В идеале он абсолютно не нагружает тестируемую схему, но для того, чтобы этого достичь, на нуль-индикаторе должен быть абсолютно нулевое напряжение, что потребует бесконечной чувствительности самого нуль-индикатора и идеального баланса напряжения от регулируемого источника напряжения. Однако, несмотря на практическую невозможность достижения абсолютно нулевой 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 (правило Киргхофа).

Итог

  • Идеальный вольтметр имеет бесконечное сопротивление.
  • Слишком низкое внутреннее сопротивление вольтметра отрицательно сказывается на измеряемой цепи.
  • Вольтметры с вакуумной трубкой (ВВТ), транзисторные вольтметры и потенциометрические схемы - всё это средства минимизации нагрузки на измеряемую цепь. Из данных методов потенциометрический («нуль-балансировочный») метод - единственный, способный обеспечить нулевую нагрузку на цепь.
  • Нуль-индикатор представляет собой устройство, подстроенное для максимальной чувствительности к малому напряжению или току. Он используется в цепи потенциометрического вольтметра для индикации отсутствия напряжения между двумя точками, которое указывает на состояние баланса между регулируемым источником напряжения и измеряемым напряжением.

См.также

Внешние ссылки