Potentiometrische Voltmeter: Precieze Spanningmeting met Minimale Belasting

Onderdelen & Materialen

• Twee 6‑V batterijen
• Enkelvoudige, 10 kΩ lineaire potentiometer (Radio Shack #271‑1715)
• Twee hoogohmige weerstanden (≥1 MΩ elk)
• Gevoelige spanningdetector (uit het vorige experiment)
• Analoge voltmeter (uit het vorige experiment)

De waarde van de potentiometer is flexibel: elkwaarde tussen 1 kΩ en 100 kΩ werkt. Als u de precisiepotentiometer die eerder in dit hoofdstuk beschreven werd heeft gebouwd, is die ideaal voor deze oefening. Evenzo verbeteren grotere weerstandswaarden de nauwkeurigheid; ze hoeven niet identiek te zijn.

Als u de gevoelige spanningdetector nog niet heeft gebouwd, raden we aan dit eerst te doen. Een zelfgebouwde detector is goedkoop, maar toont aan hoe u nauwkeurige spanningmetingen kunt uitvoeren zonder dure apparatuur. Een digitale multimeter ingesteld op de DC-millivoltbereik kan dienen als vervanging, maar een koptelefoon‑gebaseerde detector is voor leerdoeleinden te prefereren.

Naslagwerken

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Hoofdstuk 8: "DC Metering Circuits"

Leerdoelen

• Voltmeterbelasting begrijpen: de oorzaken en hoe u deze kunt beperken
• Een potentiometer gebruiken als variabele spanningsbron
• De potentiometrische (nul‑balans) methode toepassen voor nauwkeurige spanningmeting

Schema

Illustratie

Instructies

1. Monteer de tweewerstandsspanningsdeler aan de linkerkant van het schema.

2. Als de hoogohmige weerstanden gelijk zijn, zou de 6‑V batterij in twee maal 3‑V spanningsval moeten splitsen.

3. Meet de batterijspanning met een voltmeter, meet daarna de spanningsval over elke weerstand.

U zult waarschijnlijk een verschil vaststellen: de som van de individuele spanningsvallen is niet gelijk aan de totale batterijspanning. Dit is geen schending van de Wet van Kirchhoff voor Spanningen; het is een klassiek voorbeeld van voltmeterbelasting.

Analogie: Een bandenspanningsmeter laat een beetje lucht uit wanneer deze wordt aangesloten, wat de bandenspanning iets verlaagt. Op dezelfde manier biedt een voltmeter een stroompad dat de spanning over het gemeten component iets wijzigt.

In deze schakeling is het effect uitgesproken omdat de testweerstanden hoogohmig zijn. Vervang ze door 100 kΩ eenheden, daarna door 10 kΩ eenheden, en observeer hoe de spanningmetingen veranderen. Lagere weerstand verlaagt de belasting, maar ten koste van de meetnauwkeurigheid.

Probeer elke weerstand te meten met een digitale voltmeter in plaats van een analoge. Digitale meters hebben doorgaans een hogere invoerimpedantie (vaak >10 MΩ), trekken dus minder stroom en geven metingen die dichter bij de ware spanning liggen.

Voor een nog nauwkeurigere benadering gebruikt u de potentiometrische (nul‑balans) methode. Deze techniek balanceert de testspanning tegen een instelbare spanningsbron (de potentiometer) en gebruikt een zeer gevoelige nuldetector om balans aan te geven. Eenmaal gebalanceerd, is de spanning van de potentiometer — gelezen met een voltmeter — gelijk aan de testspanning, vrij van belastingfouten.

Potentiometrische Voltmeter Schakeling

De cirkel gemarkeerd "nul" vertegenwoordigt de nuldetector. Elke gevoelige meterbeweging of spanningindicator kan als detector dienen; haar rol is uitsluitend om nulspanningsverschil te signaleren.

Bouw de schakeling zoals geïllustreerd en gebruik hem om de spanningsval over een van de hoogohmige weerstanden te meten. Initieel kan een gewone multimeter als nuldetector fungeren terwijl u vertrouwd raakt met het proces. Als u de koptelefoon‑gebaseerde detector prefereert, maak dan korte contact met elk meetpunt en luister naar het kenmerkende klikken dat verdwijnt in stilte bij balans.

Let op: Een enkelvoudige potentiometer kan te grof zijn voor precieze nulinstelling. Overweeg een meervoudige eenheid of de precisiepotentiometerschakeling die eerder beschreven werd.

Computersimulatie

SPICE schema met knoopnummers:

Netlist (kopieer het volgende in een tekstbestand genaamd potentiometric.cir):

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

De simulatie toont aan dat de testspanning alleen nauwkeurig is wanneer de nuldetector nul leest — dat wil zeggen, wanneer de potentiometer perfect gebalanceerd is. Op dat moment leest de instelbare bron precies 3,000 V, wat overeenkomt met de ware spanningsval over de testweerstand.

Gerelateerde Werkbladen

• DC Metrologie Werkblad