Spanningsdeler

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Rekenmachine (of potlood en papier om te rekenen)
• 6 volt batterij
• Assortiment weerstanden tussen 1 KΩ en 100 kΩ in waarde

Ik beperk met opzet de weerstandswaarden tussen 1 kΩ en 100 kΩ om nauwkeurige spannings- en stroommetingen met uw meter te verkrijgen.

Met zeer lage weerstandswaarden heeft de interne weerstand van de ampèremeter een aanzienlijke invloed op de meetnauwkeurigheid.

Zeer hoge weerstandswaarden kunnen problemen veroorzaken voor spanningsmeting, aangezien de interne weerstand van de voltmeter de circuitweerstand aanzienlijk verandert wanneer deze parallel is geschakeld met een hoogwaardige weerstand.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 1, hoofdstuk 6:"Dividercircuits en de wetten van Kirchhoff"

LEERDOELSTELLINGEN

• Voltmetergebruik
• Ammetergebruik
• Ohmmeter gebruik
• Gebruik van de wet van Ohm
• Gebruik van de spanningswet van Kirchhoff ("KVL")
• Ontwerp spanningsdeler

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Hier worden drie verschillende methoden voor het bouwen van circuits getoond:op een breadboard, op een klemmenstrook en "vrije vorm".

Probeer telkens hetzelfde circuit te bouwen om vertrouwd te raken met de verschillende constructietechnieken en hun respectieve verdiensten.

De "vrije vorm"-methode - waarbij alle componenten met elkaar zijn verbonden met "alligator"-achtige jumperdraden - is de minst professionele, maar geschikt voor een eenvoudig experiment als dit.

Breadboard-constructie is veelzijdig en zorgt voor een hoge componentdichtheid (veel onderdelen in een kleine ruimte), maar is vrij tijdelijk.

Klemmenstroken bieden een veel meer permanente vorm van constructie ten koste van een lage componentdichtheid.

Selecteer drie weerstanden uit je weerstandsassortiment en meet de weerstand van elke weerstand met een ohmmeter.

Noteer deze weerstandswaarden met pen en papier, ter referentie in uw circuitberekeningen.

Sluit de drie weerstanden in serie aan en op de 6 volt batterij, zoals weergegeven in de afbeeldingen.

Meet de accuspanning met een voltmeter nadat de weerstanden erop zijn aangesloten en noteer dit spanningscijfer ook op papier.

Het is raadzaam om de batterijspanning te meten terwijl deze het weerstandscircuit van stroom voorziet, omdat deze spanning enigszins kan verschillen van een onbelaste toestand.

We zagen dit effect overdreven in het experiment "parallelle batterij" terwijl een lamp met een hoog wattage van stroom werd voorzien:de batterijspanning heeft de neiging om te "zakken" of "hangen" onder belasting.

Hoewel dit circuit met drie weerstanden niet zwaar genoeg mag worden belast (niet genoeg opgenomen stroom) om een ​​significante spanningsverzakking te veroorzaken, is het meten van de batterijspanning onder belasting een goede wetenschappelijke praktijk omdat het meer realistische gegevens oplevert.

Gebruik de wet van Ohm (I=E/R) om de circuitstroom te berekenen en verifieer vervolgens deze berekende waarde door de stroom te meten met een ampèremeter zoals deze (“klemmenstrook”-versie van het circuit weergegeven als een willekeurige keuze in constructiemethode):

Als uw weerstandswaarden inderdaad tussen 1 kΩ en 100 kΩ liggen, en de batterijspanning ongeveer 6 volt, zou de stroom een ​​zeer kleine waarde moeten zijn, in het milliampère (mA) of microamp (µA) bereik.

Wanneer u stroom meet met een digitale meter, kan de meter het juiste metrische prefixsymbool (m of µ) in een hoek van het scherm weergeven.

Deze metrische prefix-verklikkers zijn gemakkelijk over het hoofd te zien bij het aflezen van het display van een digitale meter, dus let goed op!

De gemeten stroomwaarde moet nauw overeenkomen met de berekening van de wet van Ohm.

Neem nu die berekende waarde voor stroom en vermenigvuldig deze met de respectieve weerstanden van elke weerstand om hun spanningsdalingen te voorspellen (E =IR).

Zet je multimeter in de "voltage" -modus en meet de spanning die over elke weerstand valt, om de nauwkeurigheid van je voorspellingen te verifiëren.

Nogmaals, er moet een goede overeenkomst zijn tussen de berekende en gemeten spanningscijfers.

Elke weerstandsspanningsval zal een fractie of percentage van de totale spanning zijn, vandaar de naam spanningsdeler gegeven aan dit circuit.

Deze fractionele waarde wordt bepaald door de weerstand van de betreffende weerstand en de totale weerstand.

Als een weerstand 50% van de totale batterijspanning in een spanningsdelercircuit laat vallen, blijft dat aandeel van 50% hetzelfde zolang de weerstandswaarden niet worden gewijzigd.

Dus als de totale spanning 6 volt is, is de spanning over die weerstand 50% van 6 of 3 volt. Als de totale spanning 20 volt is, zal die weerstand 10 volt dalen, of 50% van 20 volt.

Het volgende deel van dit experiment is een validatie van de spanningswet van Kirchhoff.

Hiervoor moet je elk uniek punt in het circuit identificeren met een nummer.

Punten die elektrisch gemeenschappelijk zijn (direct met elkaar verbonden met een onbeduidende weerstand ertussen) moeten hetzelfde nummer dragen.

Een voorbeeld met de nummers 0 tot en met 3 wordt hier getoond in zowel illustratieve als schematische vorm.

In de illustratie laat ik zien hoe punten in het circuit kunnen worden gelabeld met kleine stukjes tape, nummers geschreven op de tape:

Een digitale . gebruiken voltmeter (dit is belangrijk!), meet spanningsdalingen rond de lus gevormd door de punten 0-1-2-3-0.

Schrijf elk van deze spanningen op papier, samen met het bijbehorende teken zoals aangegeven door de meter.

Met andere woorden, als de voltmeter een negatieve spanning registreert, zoals -1,325 volt, moet u dat cijfer als een negatief getal schrijven.

Doe niet keer de aansluitingen van de metersonde om met het circuit om het nummer "correct" te laten lezen.

Wiskundig teken is erg belangrijk in deze fase van het experiment! Hier is een reeks illustraties die laat zien hoe u door de circuitlus kunt "stappen", beginnend en eindigend bij punt 0:

Het gebruik van de voltmeter om op deze manier door het circuit te "stappen" levert drie positieve spanningswaarden en één negatieve op:

Deze cijfers, algebraïsch opgeteld (“algebraïsch” =respect voor de tekens van de getallen), zouden gelijk moeten zijn aan nul.

Dit is het fundamentele principe van de spanningswet van Kirchhoff:dat de algebraïsche som van alle spanningsdalingen in een "lus" optellen tot nul.

Het is belangrijk om te beseffen dat de "lus" die wordt rondgelopen niet hetzelfde pad hoeft te zijn dat de stroom in het circuit aflegt, of zelfs helemaal geen legitiem stroompad.

De lus waarin we spanningsdalingen optellen, kan elke verzameling punten zijn , zolang het begint en eindigt met hetzelfde punt.

We kunnen bijvoorbeeld de spanningen in de lus 1-2-3-1 meten en optellen, en ze vormen ook een som van nul:

Probeer tussen een willekeurige reeks punten, in willekeurige volgorde, rond uw circuit te stappen en ontdek zelf dat de algebraïsche som altijd gelijk is aan nul.

Deze wet geldt ongeacht de configuratie van het circuit:serie, parallel, serie-parallel of zelfs een onherleidbaar netwerk.

De spanningswet van Kirchhoff is een krachtig concept waarmee we de grootte en polariteit van spanningen in een circuit kunnen voorspellen door wiskundige vergelijkingen te ontwikkelen voor analyse op basis van de waarheid van alle spanningen in een lus die optellen tot nul.

Dit experiment is bedoeld om empirisch bewijs te leveren voor en een diep begrip van de spanningswet van Kirchhoff als algemeen principe.

COMPUTERSIMULATIE

Netlijst (maak een tekstbestand met de volgende tekst, letterlijk):

Spanningsdeler v1 3 0 r1 3 2 5k r2 2 1 3k r3 1 0 2k .dc v1 6 6 1 * Spanningen rond de 0-1-2-3-0-lus worden algebraïsch opgeteld bij nul:.print dc v(1,0) v(2,1) v(3,2) v(0,3) * Spanningen rond de 1-2-3-1 lus worden algebraïsch opgeteld bij nul:.print dc v(2,1) v(3,2) v(1,3) .einde 

Deze computersimulatie is gebaseerd op de puntnummers die in de vorige diagrammen zijn weergegeven om de spanningswet van Kirchhoff te illustreren (punten 0 tot en met 3).

Weerstandswaarden werden gekozen om 50%, 30% en 20% verhoudingen van de totale spanning over R₁ te leveren , R₂ , en R₃ , respectievelijk. Voel je vrij om de spanningsbronwaarde te wijzigen (in de ".dc ” lijn, hier weergegeven als 6 volt), en/of de weerstandswaarden.

Wanneer het wordt uitgevoerd, drukt SPICE een tekstregel af met vier spanningscijfers, vervolgens een andere regel tekst met drie spanningscijfers, samen met tal van andere tekstregels die het analyseproces beschrijven. Voeg de spanningscijfers in elke regel toe om te zien dat de som nul is.

GERELATEERDE WERKBLAD:

Werkblad spanningsdelercircuits