Potentiometrische voltmeter

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Twee 6 volt batterijen
• Eén potentiometer, enkele slag, 10 kΩ, lineaire taper (Radio Shack-catalogus # 271-1715)
• Twee hoogwaardige weerstanden (elk minimaal 1 MΩ)
• Gevoelige spanningsdetector (uit het vorige experiment)
• Analoge voltmeter (van het vorige experiment)

De waarde van de potentiometer is niet kritisch:alles van 1 kΩ tot 100 kΩ is acceptabel.

Als u de eerder in dit hoofdstuk beschreven "precisiepotentiometer" heeft gebouwd, is het raadzaam deze in dit experiment te gebruiken.

Evenzo zijn de werkelijke waarden van de weerstanden niet kritisch. In dit specifieke experiment geldt:hoe groter de waarde, hoe beter de resultaten. Ze hoeven ook niet precies even waardevol te zijn.

Als u de gevoelige spanningsdetector nog niet heeft gebouwd, is het raadzaam er een te bouwen voordat u doorgaat met dit experiment!

Het is een zeer nuttig, maar eenvoudig testapparaat dat u niet mag missen. U kunt een digitale multimeter gebruiken die is ingesteld op het bereik "DC millivolt" (DC mV) in plaats van een spanningsdetector, maar de op een hoofdtelefoon gebaseerde spanningsdetector is geschikter omdat deze laat zien hoe u nauwkeurige spanningsmetingen kunt uitvoeren zonder met behulp van dure of geavanceerde meterapparatuur. Ik raad je aan om om dezelfde reden je zelfgemaakte multimeter te gebruiken, hoewel elke voltmeter voor dit experiment voldoende is.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 1, hoofdstuk 8:"DC-meetcircuits"

LEERDOELSTELLINGEN

• Om het laden van een voltmeter te beschrijven:de oorzaken en de oplossing
• Om te illustreren hoe een potentiometer te gebruiken als een bron van variabele spanning
• Om de potentiometrische methode van spanningsmeting te illustreren

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Bouw het spanningsdelercircuit met twee weerstanden dat links van het schematische diagram en van de afbeelding wordt getoond.

Als de twee hoogwaardige weerstanden van gelijke waarde zijn, moet de spanning van de batterij worden gehalveerd, waarbij ongeveer 3 volt over elke weerstand valt.

Meet de batterijspanning rechtstreeks met een voltmeter en meet vervolgens de spanningsval van elke weerstand.

Merkt u iets ongewoons op aan de uitlezingen van de voltmeter? Normaal gesproken tellen seriespanningsdalingen op tot gelijk aan de totale aangelegde spanning, maar in dit geval zult u een ernstige discrepantie opmerken.

Is de spanningswet van Kirchhoff niet waar? Is dit een uitzondering op een van de meest fundamentele wetten van elektrische circuits?

Nee! Wat er gebeurt is dit:wanneer je een voltmeter over een van beide weerstanden aansluit, verandert de voltmeter zelf verandert het circuit zodat de spanning niet hetzelfde is als zonder aangesloten meter.

Ik gebruik graag de analogie van een luchtdrukmeter die wordt gebruikt om de druk van een luchtband te controleren.

Wanneer een meter is aangesloten op het vulventiel van de band, laat deze wat lucht uit de band ontsnappen.

Dit heeft invloed op de druk in de band, en dus geeft de meter een iets lagere druk aan dan in de band zat voordat de meter werd aangesloten.

Met andere woorden, het meten van de bandenspanning verandert de bandenspanning. Hopelijk komt er tijdens het meten echter zo weinig lucht uit de band dat de drukverlaging verwaarloosbaar is.

Voltmeters hebben op dezelfde manier invloed op de spanning die ze meten, door wat stroom te omzeilen rond het onderdeel waarvan de spanningsval wordt gemeten.

Dit heeft invloed op de spanningsval, maar het effect is zo gering dat je het meestal niet merkt.

In dit circuit is het effect echter zeer uitgesproken. Waarom is dit? Probeer de twee hoogwaardige weerstanden te vervangen door twee van elk 100 kΩ en herhaal het experiment.

Vervang die weerstanden door twee eenheden van 10 KΩ en herhaal. Wat valt je op aan de spanningsmetingen met weerstanden met een lagere waarde?

Wat zegt dit over de "impact" van een voltmeter op een circuit in relatie tot de weerstand van dat circuit?

Vervang eventuele weerstanden met een lage waarde door de originele weerstanden met een hoge waarde (>=1 MΩ) voordat u verder gaat.

Probeer de spanning over de twee hoogwaardige weerstanden één voor één te meten met een digitale voltmeter in plaats van een analoge voltmeter.

Wat valt je op aan de uitlezingen van de digitale meter versus die van de analoge meter?

Digitale voltmeters hebben doorgaans een grotere interne (sonde-naar-sonde) weerstand, wat betekent dat ze minder stroom verbruiken dan een vergelijkbare analoge voltmeter bij het meten van dezelfde spanningsbron.

Een ideale voltmeter zou nul stroom uit het te testen circuit trekken en dus geen spannings-"impact"-problemen hebben.

Als je toevallig twee voltmeters hebt, probeer dan dit:sluit een voltmeter aan op de ene weerstand en de andere voltmeter op de andere weerstand.

De spanningsmetingen die u krijgt, tellen deze keer op tot de totale spanning, ongeacht de weerstandswaarden, ook al verschillen ze van de waarden die worden verkregen van een enkele meter die twee keer wordt gebruikt.

Helaas is het echter onwaarschijnlijk dat de op deze manier verkregen spanningswaarden gelijk zijn aan de werkelijke spanningsdalingen als er geen meters zijn aangesloten, en daarom is het geen praktische oplossing voor het probleem.

Is er een manier om een ​​"perfecte" voltmeter te maken:een die oneindige weerstand heeft en geen stroom trekt van het te testen circuit?

Moderne laboratorium voltmeters benaderen dit doel door gebruik te maken van halfgeleider "versterker" circuits, maar deze methode is te technologisch geavanceerd voor de student of hobbyist om te dupliceren.

Een veel eenvoudigere en veel oudere techniek wordt de potentiometrische . genoemd of null-saldo methode.

Dit omvat het gebruik van een instelbare spanningsbron om de gemeten spanning te "balanceren".

Wanneer de twee spanningen gelijk zijn, zoals aangegeven door een zeer gevoelige nuldetector , wordt de instelbare spanningsbron gemeten met een gewone voltmeter.

Omdat de twee spanningsbronnen aan elkaar gelijk zijn, is het meten van de instelbare bron hetzelfde als het meten over het testcircuit, behalve dat er geen "impact" -fout is omdat de instelbare bron elke stroom levert die de voltmeter nodig heeft. Bijgevolg blijft het geteste circuit onaangetast, waardoor de werkelijke spanningsval kan worden gemeten.

Bekijk het volgende schema om te zien hoe de potentiometrische voltmetermethode wordt geïmplementeerd:

Het cirkelsymbool met het woord "null" erin geschreven vertegenwoordigt de nuldetector.

Dit kan elke willekeurig gevoelige meterbeweging of spanningsindicator zijn.

Het enige doel in dit circuit is om aan te geven wanneer er nul . is spanning:wanneer de instelbare spanningsbron (potentiometer) precies gelijk is aan de spanningsval in het te testen circuit.

Hoe gevoeliger deze nuldetector is, hoe nauwkeuriger de instelbare bron kan worden aangepast om gelijk te zijn aan de te testen spanning, en hoe nauwkeuriger die testspanning kan worden gemeten.

Bouw dit circuit zoals weergegeven in de afbeelding en test de werking ervan door de spanningsval over een van de hoogwaardige weerstanden in het testcircuit te meten.

Het is misschien gemakkelijker om in eerste instantie een gewone multimeter als nuldetector te gebruiken, totdat u bekend raakt met het proces van het afstellen van de potentiometer voor een "nul"-indicatie en vervolgens de voltmeter afleest die op de potentiometer is aangesloten.

Als u de op een hoofdtelefoon gebaseerde spanningsdetector als nulmeter gebruikt, moet u af en toe contact maken en verbreken met het te testen circuit en luisteren naar "klikkende" geluiden.

Doe dit door een van de testsondes stevig op het testcircuit te bevestigen en de andere testsonde keer op keer aan te raken op het andere punt in het testcircuit, luisterend naar geluiden in de hoofdtelefoon die een verschil in spanning aangeven tussen het testcircuit en de potentiometer.

Pas de potentiometer aan totdat er geen klikkende geluiden meer hoorbaar zijn uit de hoofdtelefoon. Dit geeft een "null" of "gebalanceerde" toestand aan, en u kunt de voltmeter-indicatie aflezen om te zien hoeveel spanning er over de testcircuitweerstand valt.

Helaas geeft de op koptelefoon gebaseerde nuldetector geen indicatie of de spanning van de potentiometer groter is dan , of minder dan de spanning van het testcircuit, dus u zult moeten luisteren naar afnemende "klik"-intensiteit terwijl u aan de potentiometer draait om te bepalen of u de spanning hoger of lager moet aanpassen.

Het kan zijn dat een potentiometer met één slag (“3/4 slag”) een te grof instrument is om het meetcircuit nauwkeurig op nul te zetten.

Een multi-turn potentiometer kan worden gebruikt in plaats van de single-turn unit voor een grotere nauwkeurigheid van de afstelling, of de "precisie potentiometer"-schakeling die in een eerder experiment is beschreven, kan worden gebruikt.

Vóór de komst van de versterkte voltmetertechnologie was de potentiometrische methode de enige methode voor het maken van zeer nauwkeurige spanningsmetingen.

Zelfs nu maken laboratoria voor elektrische normen gebruik van deze techniek, samen met de nieuwste metertechnologie om 'impact'-fouten van de meter te minimaliseren en de meetnauwkeurigheid te maximaliseren.

Hoewel de potentiometrische methode meer vaardigheid vereist om te gebruiken dan alleen het aansluiten van een moderne digitale voltmeter over een component, en als achterhaald wordt beschouwd voor alle behalve de meest nauwkeurige meettoepassingen, is het nog steeds een waardevol leerproces voor de nieuwe student elektronica, en een nuttig techniek voor de hobbyist die misschien geen dure instrumenten heeft in zijn eigen laboratorium.

COMPUTERSIMULATIE

Schema met SPICE-knooppuntnummers:

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

Potentiometrische 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 

Deze SPICE-simulatie toont de werkelijke spanning over R₂ van het testcircuit, de spanning van de nuldetector en de spanning over de instelbare spanningsbron, aangezien die bron wordt aangepast van 0 volt tot 6 volt in stappen van 0,5 volt.

In de uitvoer van deze simulatie ziet u dat de spanning over R₂ is aanzienlijk beïnvloed wanneer het meetcircuit ongebalanceerd is en alleen terugkeert naar zijn werkelijke spanning als er praktisch nul spanning over de nuldetector is.

Op dat moment staat de instelbare spanningsbron natuurlijk op een waarde van 3.000 volt:precies gelijk aan de (onbeïnvloede) spanningsval van het testcircuit.

Wat is de les die uit deze simulatie kan worden getrokken? Dat een potentiometrische voltmeter vermijdt dat het testcircuit alleen . wordt beïnvloed wanneer het zich in een perfecte balans (“null”) bevindt met het testcircuit!

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad DC-metrologie