Электроника:Постоянный ток/Измерения в электрических цепях постоянного тока/Как устроен вольтметр

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 устроен вольтметр[1]

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.
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.
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 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:

Рис. 3. Таблица E/I/R. В первой колонке будут параметры движителя, во второй – подстроечного резистора (умножителя).
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.
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. 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:

Рис. 6. Таблица E/I/R. Высчитали напряжение для движителя и 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 сопротивление резистора, 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.
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.
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.
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.
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.

См.также

Внешние ссылки