Voltmeterimpact op gemeten circuit

Elke meter heeft tot op zekere hoogte invloed op het circuit dat hij aan het meten is, net zoals elke bandenspanningsmeter de gemeten bandenspanning enigszins verandert als er wat lucht wordt uitgelaten om de meter te bedienen. Hoewel enige impact onvermijdelijk is, kan deze worden geminimaliseerd door een goed meterontwerp.

Spanningsdelercircuit

Aangezien voltmeters altijd parallel zijn geschakeld met de te testen component of componenten, zal elke stroom door de voltmeter bijdragen aan de totale stroom in het geteste circuit, wat mogelijk van invloed is op de gemeten spanning. Een perfecte voltmeter heeft een oneindige weerstand, zodat hij geen stroom trekt van het te testen circuit. Perfecte voltmeters bestaan ​​echter alleen in de pagina's van studieboeken, niet in het echte leven! Neem het volgende spanningsdelercircuit als een extreem voorbeeld van hoe een realistische voltmeter het meten van het circuit kan beïnvloeden:

Als er geen voltmeter op het circuit is aangesloten, moet er precies 12 volt zijn over elke 250 MΩ-weerstand in het seriecircuit, waarbij de twee weerstanden van gelijke waarde de totale spanning (24 volt) precies in twee delen. Als de betreffende voltmeter echter een lead-to-lead-weerstand heeft van 10 MΩ (een gebruikelijke hoeveelheid voor een moderne digitale voltmeter), zal de weerstand ervan een parallel subcircuit creëren met de onderste weerstand van de verdeler wanneer deze is aangesloten:

Dit vermindert effectief de lagere weerstand van 250 MΩ tot 9,615 MΩ (250 MΩ en 10 MΩ parallel), waardoor de spanningsdalingen in het circuit drastisch veranderen. De onderste weerstand zal nu veel minder spanning hebben dan voorheen, en de bovenste weerstand veel meer.

Gemeten spanningsdeler

Een spanningsdeler met weerstandswaarden van 250 MΩ en 9,615 MΩ verdeelt 24 volt in delen van respectievelijk 23,1111 volt en 0,8889 volt. Aangezien de voltmeter deel uitmaakt van die weerstand van 9,615 MΩ, geeft hij dat aan:0,8889 volt.

Nu kan de voltmeter alleen de spanning aangeven waarop hij is aangesloten. Het kan niet "weten" dat er een potentiaal van 12 volt was gedaald over de onderste 250 MΩ-weerstand voor het was eroverheen aangesloten. Alleen al door de voltmeter op het circuit aan te sluiten, maakt het deel uit van het circuit, en de eigen weerstand van de voltmeter verandert de weerstandsverhouding van het spanningsdelercircuit, waardoor de gemeten spanning wordt beïnvloed.

Hoe werkt een voltmeter?

Stel je voor dat je een bandenspanningsmeter gebruikt die zo'n grote hoeveelheid lucht nodig heeft om te werken dat hij elke band zou laten leeglopen waarmee hij was verbonden. De hoeveelheid lucht die de manometer verbruikt tijdens het meten is analoog aan de stroom die de voltmeter nodig heeft om de naald te bewegen. Hoe minder lucht een manometer nodig heeft om te werken, hoe minder hij de te testen band zal laten leeglopen. Hoe minder stroom er door een voltmeter wordt getrokken om de naald te bedienen, hoe minder deze het te testen circuit zal belasten.

Dit effect heet laden , en het is tot op zekere hoogte aanwezig in elk geval van voltmetergebruik. Het hier getoonde scenario is in het slechtste geval, met een voltmeterweerstand die aanzienlijk lager is dan de weerstanden van de delerweerstanden. Maar er zal altijd een zekere mate van belasting zijn, waardoor de meter minder aangeeft dan de werkelijke spanning als er geen meter is aangesloten. Het is duidelijk dat hoe hoger de voltmeterweerstand, hoe minder belasting van het te testen circuit, en daarom heeft een ideale voltmeter een oneindige interne weerstand.

Voltmeters met elektromechanische bewegingen krijgen doorgaans classificaties in "ohm per volt" van het bereik om de hoeveelheid circuitimpact aan te duiden die wordt veroorzaakt door de stroomafname van de beweging. Omdat dergelijke meters afhankelijk zijn van verschillende waarden van vermenigvuldigingsweerstanden om verschillende meetbereiken te geven, zullen hun lead-to-lead-weerstanden veranderen afhankelijk van het bereik waarop ze zijn ingesteld. Digitale voltmeters, aan de andere kant, vertonen vaak een constante weerstand over hun meetsnoeren, ongeacht de bereikinstelling (maar niet altijd!), En als zodanig worden ze meestal eenvoudig beoordeeld in ohm ingangsweerstand, in plaats van "ohm per volt" -gevoeligheid.

Wat "ohm per volt" betekent, is hoeveel ohm lead-to-lead weerstand voor elke volt van bereikinstelling op de keuzeschakelaar. Laten we ons voorbeeld voltmeter uit de laatste sectie als voorbeeld nemen:

Op de schaal van 1000 volt is de totale weerstand 1 MΩ (999,5 kΩ + 500Ω), wat neerkomt op 1.000.000 Ω per 1000 volt bereik, of 1000 ohm per volt (1 kΩ/V). Deze ohm-per-volt "gevoeligheid"-classificatie blijft constant voor elk bereik van deze meter:

De scherpzinnige waarnemer zal opmerken dat de ohm-per-volt-classificatie van een meter wordt bepaald door een enkele factor:de volledige stroom van de beweging, in dit geval 1 mA. "Ohm per volt" is het wiskundige omgekeerde van "volt per ohm", dat door de wet van Ohm wordt gedefinieerd als stroom (I=E/R). Bijgevolg is de volledige huidige van de beweging dicteert de Ω/volt-gevoeligheid van de meter, ongeacht het bereik waarmee de ontwerper hem uitrust door middel van vermenigvuldigingsweerstanden. In dit geval geeft de volledige stroomsterkte van de meterbeweging van 1 mA het een voltmetergevoeligheid van 1000 Ω/V, ongeacht hoe we het met vermenigvuldigingsweerstanden rangschikken.

Om de belasting van een voltmeter op een circuit te minimaliseren, moet de ontwerper proberen de stroomafname van zijn beweging te minimaliseren. Dit kan worden bereikt door de beweging zelf opnieuw te ontwerpen voor maximale gevoeligheid (minder stroom nodig voor volledige afbuiging), maar de wisselwerking hier is typisch robuustheid:een meer gevoelige beweging is meestal kwetsbaarder.

Een andere benadering is om de stroom die naar de beweging wordt gestuurd elektronisch te versterken, zodat er heel weinig stroom hoeft te worden afgenomen van het te testen circuit. Dit speciale elektronische circuit staat bekend als een versterker , en de zo geconstrueerde voltmeter is een versterkte voltmeter .

De interne werking van een versterker is te complex om op dit punt te bespreken, maar het volstaat te zeggen dat het circuit de gemeten spanning toelaat om te controleren hoeveel batterijstroom er naar de meterbeweging wordt gestuurd. De stroombehoeften van het uurwerk worden dus geleverd door een batterij in de voltmeter en niet door het te testen circuit. De versterker belast het te testen circuit nog steeds tot op zekere hoogte, maar over het algemeen honderden of duizenden keren minder dan de beweging van de meter op zichzelf zou doen.

Vacuümbuis voltmeters (VTVM's)

Vóór de komst van halfgeleiders die bekend staan ​​als "veldeffecttransistoren", werden vacuümbuizen gebruikt als versterkingsapparaten om deze versterking uit te voeren. Zulke vacuümbuis voltmeters , of (VTVM's) waren ooit zeer populaire instrumenten voor elektronisch testen en meten. Hier is een foto van een heel oude VTVM, met de vacuümbuis zichtbaar!

Nu vervullen solid-state transistorversterkercircuits dezelfde taak in digitale meterontwerpen. Hoewel deze benadering (van het gebruik van een versterker om de gemeten signaalstroom te versterken) goed werkt, bemoeilijkt het het ontwerp van de meter enorm, waardoor het voor de beginnende elektronicastudent bijna onmogelijk is om de interne werking ervan te begrijpen.

Een laatste en ingenieuze oplossing voor het probleem van het laden van voltmeters is die van de potentiometrische of null-saldo instrument. Het vereist geen geavanceerde (elektronische) schakelingen of gevoelige apparaten zoals transistors of vacuümbuizen, maar het vereist wel meer betrokkenheid en vaardigheid van technici. In een potentiometrische instrument wordt een nauwkeurig instelbare spanningsbron vergeleken met de gemeten spanning en een gevoelig apparaat genaamd een nuldetector wordt gebruikt om aan te geven wanneer de twee spanningen gelijk zijn.

In sommige circuitontwerpen is een precisie-potentiometer wordt gebruikt om de instelbare spanning te leveren, vandaar het label potentiometrische . Wanneer de spanningen gelijk zijn, zal er nul stroom worden getrokken uit het te testen circuit, en dus zou de gemeten spanning onaangetast moeten zijn. Het is gemakkelijk om te laten zien hoe dit werkt met ons laatste voorbeeld, het spanningsdelercircuit met hoge weerstand:

Null-detector

De "nuldetector" is een gevoelig apparaat dat de aanwezigheid van zeer kleine spanningen kan aangeven. Als een elektromechanische meterbeweging als nuldetector wordt gebruikt, heeft deze een naald in het midden van de veer die in beide richtingen kan afbuigen om nuttig te zijn voor het aangeven van een spanning van beide polariteiten. Aangezien het doel van een nuldetector is om een ​​toestand van nul nauwkeurig aan te geven spanning, in plaats van een specifieke (niet-nul) hoeveelheid aan te geven zoals een normale voltmeter zou doen, is de schaal van het gebruikte instrument niet relevant. Nuldetectoren zijn doorgaans ontworpen om zo gevoelig mogelijk te zijn om nauwkeuriger een "nul"- of "balans"-toestand (nulspanning) aan te geven.

Een uiterst eenvoudig type nuldetector is een set audio-koptelefoons, waarbij de luidsprekers binnenin fungeren als een soort meterbeweging. Wanneer een gelijkspanning in eerste instantie wordt toegepast op een luidspreker, zal de resulterende stroom erdoorheen de luidsprekerconus bewegen en een hoorbare "klik" produceren. Een ander "klik"-geluid zal te horen zijn wanneer de gelijkstroombron wordt losgekoppeld. Voortbouwend op dit principe kan een gevoelige nuldetector worden gemaakt van niets meer dan een koptelefoon en een kortstondige contactschakelaar:

Als voor dit doel een hoofdtelefoon van 8 ohm wordt gebruikt, kan de gevoeligheid ervan aanzienlijk worden verhoogd door deze aan te sluiten op een apparaat dat een transformator wordt genoemd. . De transformator maakt gebruik van principes van elektromagnetisme om de spanning en stroomniveaus van elektrische energiepulsen te "transformeren". In dit geval is het gebruikte type transformator een step-down transformator, en het zet lage stroompulsen (gemaakt door de drukknopschakelaar te sluiten en te openen terwijl deze is aangesloten op een kleine spanningsbron) om in hogere stroompulsen om de luidsprekerconussen in de hoofdtelefoon efficiënter aan te sturen.

Een "audio output" transformator met een impedantieverhouding van 1000:8 is hiervoor ideaal. De transformator verhoogt ook de gevoeligheid van de detector door de energie van een zwakstroomsignaal te accumuleren in een magnetisch veld voor plotselinge vrijgave in de hoofdtelefoonluidsprekers wanneer de schakelaar wordt geopend. Het zal dus luidere "klikken" produceren voor het detecteren van kleinere signalen:

Aangesloten op het potentiometrische circuit als nuldetector, wordt de schakelaar/transformator/koptelefoon-opstelling als zodanig gebruikt:

Het doel van elke nuldetector is om te werken als een laboratoriumweegschaal, die aangeeft wanneer de twee spanningen gelijk zijn (afwezigheid van spanning tussen punten 1 en 2) en niets meer. De evenwichtsbalk op laboratoriumschaal weegt eigenlijk niets; het duidt eerder gewoon op gelijkheid tussen de onbekende massa en de stapel standaard (gekalibreerde) massa's.

Evenzo geeft de nuldetector eenvoudig aan wanneer de spanning tussen de punten 1 en 2 gelijk is, wat (volgens de spanningswet van Kirchhoff) zal zijn wanneer de instelbare spanningsbron (het batterijsymbool met een diagonale pijl erdoorheen) precies gelijk is in spanning naar de drop over R2.

Om dit instrument te bedienen, zou de technicus de output van de precisiespanningsbron handmatig aanpassen totdat de nuldetector exact nul aangaf (bij gebruik van een audiokoptelefoon als nuldetector, zou de technicus herhaaldelijk op de drukknopschakelaar drukken en deze loslaten, luisterend naar stilte om aan te geven dat het circuit "gebalanceerd" was), en noteer vervolgens de bronspanning zoals aangegeven door een voltmeter aangesloten over de precisiespanningsbron, die indicatie representatief is voor de spanning over de onderste 250 MΩ-weerstand:

De voltmeter die wordt gebruikt om de precisiebron rechtstreeks te meten, hoeft geen extreem hoge Ω/V-gevoeligheid te hebben, omdat de bron alle stroom zal leveren die nodig is om te werken. Zolang er nul spanning over de nuldetector staat, zal er nul stroom zijn tussen de punten 1 en 2, wat neerkomt op geen belasting van het te testen scheidingscircuit.

Het is de moeite waard om te herhalen dat deze methode, correct uitgevoerd, bijna nul belasting plaatst op het gemeten circuit. In het ideale geval plaatst het absoluut geen belasting op het geteste circuit, maar om dit ideale doel te bereiken zou de nuldetector absoluut nul spanning erover moeten hebben , waarvoor een oneindig gevoelige nulmeter en een perfecte spanningsbalans van de instelbare spanningsbron nodig zijn.

Ondanks het praktische onvermogen om absolute nulbelasting te bereiken, is een potentiometrische schakeling echter nog steeds een uitstekende techniek voor het meten van spanning in circuits met hoge weerstand. En in tegenstelling tot de elektronische versterkeroplossing, die het probleem oplost met geavanceerde technologie, bereikt de potentiometrische methode een hypothetisch perfecte oplossing door gebruik te maken van een fundamentele wet van elektriciteit (KVL).

BEOORDELING:

• Een ideale voltmeter heeft een oneindige weerstand.
• Een te lage interne weerstand in een voltmeter heeft een negatief effect op het te meten circuit.
• Vacuümbuisvoltmeters (VTVM's), transistorvoltmeters en potentiometrische circuits zijn allemaal middelen om de belasting van een gemeten circuit te minimaliseren. Van deze methoden is de potentiometrische ("nulbalans") techniek de enige die in staat is om nul te plaatsen belasting op het circuit.
• Een nuldetector is een apparaat dat is gebouwd voor maximale gevoeligheid voor kleine spanningen of stromen. Het wordt gebruikt in potentiometrische voltmetercircuits om de afwezigheid aan te geven van spanning tussen twee punten, waardoor een evenwichtstoestand wordt aangegeven tussen een instelbare spanningsbron en de spanning die wordt gemeten.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad voor basis voltmetergebruik