Электроника:Эксперименты/Электрические цепи постоянного тока/Потенциометрический вольтметр

Поддержать проект

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Потенциометрический вольтметр

Оборудование и материалы

• Две батарейки по 6 вольт
• Один потенциометр, однооборотный, 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack №271-1715)
• Два мощных резистора (не менее 1 МОм каждый)
• Чувствительный детектор напряжения (из предыдущего эксперимента)
• Аналоговый вольтметр (из предыдущего эксперимента)

Значение потенциометра не критично: допустимо любое значение от 1 кОм до 100 кОм.

Если вы построили «прецизионный потенциометр», описанный ранее в этой главе, рекомендуется использовать его в этом эксперименте.

Аналогично, фактические значения резисторов не являются критическими. В этом конкретном эксперименте чем больше значение, тем лучше результаты. Они также не обязательно должны быть точно равными.

Если вы ещё не построили чувствительный детектор напряжения, рекомендуется сделать его, прежде чем приступать к этому эксперименту!

Это очень полезное, но простое тестовое оборудование, без которого вам не обойтись. Вы можете использовать цифровой мультиметр, настроенный на диапазон «милливольт постоянного тока» (DC мВ), вместо детектора напряжения, но детектор напряжения на основе наушников является более подходящим, поскольку он демонстрирует, как вы можете выполнять точные измерения напряжения без использования дорогого/сложного измерительного оборудования. Я рекомендую использовать ваш самодельный мультиметр по той же причине, хотя для этого эксперимента будет достаточно любого вольтметра.

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том 1 «Постоянный ток», глава 8: «Измерения в электрических цепях постоянного тока»

Цели эксперимента

• Описать нагрузку вольтметра: её причины и решение
• Проиллюстрировать, как использовать потенциометр в качестве источника переменного напряжения
• Для иллюстрации потенциометрического метода измерения напряжения

Принципиальная схема

Рис. 1. Схема, которую будем измерять с помощью потенциометрического вольтметра.

Иллюстрации

Рис. 2. Замер цепи с помощью потенциометрического вольтметра.

Ход эксперимента

Соберите схему делителя напряжения с двумя резисторами, показанную в левой части на принципиальной схеме и на иллюстрации.

Если два мощных резистора имеют одинаковую величину, напряжение батареи следует разделить пополам, при этом на каждом резисторе должно падать примерно 3 вольта.

Измерьте напряжение батареи непосредственно с помощью вольтметра, затем измерьте падение напряжения на каждом резисторе.

Ничего не замечаете необычного в показаниях вольтметра? Обычно падение последовательного напряжения в сумме равняется общему приложенному напряжению, но в этом случае вы заметите серьёзное несоответствие.

Правило напряжений Кирхгофа больше не работает? Является ли это исключением из одного из самых фундаментальных законов электрических цепей?

Нет, нет и ещё раз нет! Происходит следующее: когда вы подключаете вольтметр к любому из резисторов, вольтметр сам изменяет цепь, так что напряжение не такое, как если бы измеритель не был подключён.

Мне нравится использовать аналогию с манометром, используемым для проверки давления в пневматической шине.

Когда манометр подсоединён к наливному вентилю шины, он выпускает некоторое количество воздуха из шины.

Это влияет на давление в шине, поэтому манометр показывает несколько более низкое давление, чем то, которое было в шине до подключения манометра.

Другими словами, акт измерения давления в шинах изменяет давление в шинах. Надеюсь, однако, что во время измерения из шины выходит так мало воздуха, что снижением давления можно пренебречь.

Вольтметры аналогичным образом влияют на измеряемое напряжение, пропуская некоторый ток вокруг компонента, падение напряжения которого измеряется.

Это влияет на падение напряжения, но эффект настолько мал, что обычно его не замечают.

Однако в этой схеме эффект очень заметен. Почему так происходит? Попробуйте заменить два мощных резистора на два по 100 кОм каждый и повторите эксперимент.

Замените эти резисторы двумя блоками по 10 кОм и повторите. Что вы заметили в показаниях напряжения с резисторами с меньшим номиналом?

Что это говорит вам о «воздействии» вольтметра на цепь по отношению к сопротивлению этой цепи?

Прежде чем продолжить, замените любые резисторы с низким номиналом на оригинальные резисторы с высоким номиналом (≥ 1 МОм).

Попробуйте измерить напряжение на двух высокоомных резисторах – сначала на одном, а потом на другом – с помощью цифрового вольтметра вместо аналогового вольтметра.

Что вы заметили в показаниях цифрового счётчика по сравнению с показаниями аналогового счётчика?

Цифровые вольтметры обычно имеют большее внутреннее сопротивление (между щупами), что означает, что они потребляют меньший ток, чем сопоставимый аналоговый вольтметр при измерении того же источника напряжения.

Идеальный вольтметр потреблял бы нулевой ток из тестируемой цепи и, таким образом, не испытывал бы проблем с «воздействием» напряжения.

Если у вас есть два вольтметра, попробуйте вот что: подключите один вольтметр к одному резистору, а другой вольтметр к другому резистору.

Показания напряжения, которые вы получите, на этот раз добавятся к общему напряжению, независимо от номиналов резисторов, даже если они отличаются от показаний, полученных от одного измерителя, использованного дважды.

Однако, к сожалению, маловероятно, что показания напряжения, полученные таким образом, равны истинным падениям напряжения без подключенных счётчиков, и поэтому это не является практическим решением проблемы.

Есть ли способ сделать «идеальный» вольтметр: такой, который имеет бесконечное сопротивление и не потребляет ток от тестируемой цепи?

Современные лабораторные вольтметры приближаются к этой цели, используя схемы полупроводниковых «усилителей», но этот метод слишком технологически продвинут, чтобы студент или любитель могли его воспроизвести.

Гораздо более простой и старый метод называется потенциометрическим методом или методом нулевого баланса.

Это предполагает использование регулируемого источника напряжения для «балансировки» измеряемого напряжения.

Когда два напряжения равны, как показывает очень чувствительный нуль-индикатор, регулируемый источник напряжения измеряется с помощью обычного вольтметра.

Поскольку два источника напряжения равны друг другу, измерение регулируемого источника такое же, как и измерение в тестовой цепи, за исключением того, что нет ошибки «токового удара», поскольку регулируемый источник обеспечивает любой ток, необходимый для вольтметра. Следовательно, тестируемая цепь остаётся неизменной, что позволяет измерить её истинное падение напряжения.

Изучите следующую схему, чтобы увидеть, как реализован метод потенциометрического вольтметра:

Рис. 3. Потенциометрический вольтметр.

Круглый символ со словом «null» внутри – это нуль-индикатор.

Это может быть любое сколь угодно чувствительное движение измерителя или индикатор напряжения.

Его единственная цель в этой схеме – указать, когда есть нулевое напряжение: когда регулируемый источник напряжения (потенциометр) точно равен падению напряжения в тестируемой цепи.

Чем более чувствителен этот нуль-индикатор, тем точнее можно отрегулировать регулируемый источник, чтобы он был равен тестируемому напряжению, и тем точнее можно измерить это тестовое напряжение.

Соберите эту схему, как показано на рисунке, и проверьте её работу, измерив падение напряжения на одном из высокоомных резисторов в тестовой схеме.

Сначала может быть проще использовать обычный мультиметр в качестве нуль-индикатора, пока вы не ознакомитесь с процессом настройки потенциометра на «нулевое» показание, а затем считывать показания вольтметра, подключённого к потенциометру.

Если вы используете детектор напряжения в наушниках в качестве нуль-индикатора, вам нужно будет периодически устанавливать и разрывать контакт с тестируемой схемой и прислушиваться к «щёлкающим» звукам.

Сделайте это, надёжно закрепив один из тестовых щупов на тестовой схеме и на мгновение касаясь другим тестовым щупом к другой точке тестовой схемы снова и снова, прислушиваясь к звукам в наушниках, указывающим на разницу напряжений между тестовой схемой и потенциометр.

Отрегулируйте потенциометр так, чтобы в наушниках не было слышно щелчков. Это указывает на «нулевое» или «сбалансированное» состояние, и вы можете прочитать показания вольтметра, чтобы увидеть, сколько напряжения падает на резисторе тестовой цепи.

К сожалению, нуль-индикатор в наушниках не показывает, является ли напряжение потенциометра больше или меньше напряжения тестовой схемы, поэтому вам придется прислушиваться к уменьшению интенсивности «щелчка» при повороте потенциометра, чтобы определить, нужно ли вам это делать. Отрегулируйте напряжение выше или ниже.

Вы можете обнаружить, что однооборотный (фактически «¾-оборотный») потенциометр является слишком грубым регулировочным устройством, чтобы точно «обнулить» измерительную схему.

Можно использовать многооборотный потенциометр вместо однооборотного для большей точности регулировки или можно использовать схему «прецизионного потенциометра», описанную в более раннем эксперименте.

До появления технологии вольтметров с усилителем потенциометрический метод был единственным методом высокоточных измерений напряжения.

Даже сейчас лаборатории электрических стандартов используют этот метод вместе с новейшей измерительной технологией, чтобы свести к минимуму «ударные» погрешности счетчика и максимально повысить точность измерений.

Хотя потенциометрический метод требует больше навыков, чем простое подключение современного цифрового вольтметра к компоненту, и считается устаревшим для всех приложений, кроме самых точных измерений, он по-прежнему представляет собой ценный процесс обучения для новичков в области электроники и полезный инструмент. Это метод для любителей, которым может не хватать дорогостоящего оборудования в домашней лаборатории.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 4. Схема потенциометрического вольтметра, с отмеченными электрически общими точками.

Список соединений (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, скопируйте его весь):

Список связей SPICE

Potentiometric voltmeter
v1 1 0 dc 6
v2 3 0 r1 1 2 1meg
r2 2 0 1meg
rnull 2 3 10k
rmeter 3 0 50k
.dc v2 0 6 0.5
.print dc v(2,0) v(2,3) v(3,0)
.end

Эта моделирование SPICE показывает фактическое напряжение на резисторе R₂ тестовой схемы, напряжение нуль-индикатора и напряжение на регулируемом источнике напряжения, когда этот источник регулируется от 0 до 6 вольт с шагом 0,5 вольт.

На выходе этой симуляции вы заметите, что напряжение на резисторе R₂ значительно снижается, когда измерительная цепь разбалансирована, возвращаясь к своему истинному напряжению только тогда, когда напряжение на нуль-индикаторе практически равно нулю.

В этот момент, конечно, регулируемый источник напряжения имеет значение 3000 вольт: точно равно (не затронутому) падению напряжения в тестовой цепи.

Какой урок можно извлечь из этой симуляции? Что потенциометрический вольтметр избегает воздействия на тестовую схему только тогда, когда он находится в состоянии идеального баланса («нуля») с тестовой схемой!