Precisie voltmeterbereiken ontwerpen: van gevoelige bewegingen tot vol-schaal lezingen

De meeste meetbewegingen zijn zeer gevoelig. Sommige D'Arsonval-bewegingen zijn bijvoorbeeld geeicht voor een vol-schaal uitschuifingsstroom van slechts 50 µA, met een interne draadweerstand onder 1 kΩ. Dit beperkt de directe vol-schaal spanning van de beweging tot slechts 50 mV (50 µA × 1 kΩ). Om praktische voltmeters te bouwen die hogere spanningen kunnen meten, moeten we de invoerspanning dempen zodat slechts een veilige fractie de beweging bereikt.

D'Arsonval-beweging voorbeeld

Beschouw een D'Arsonval-beweging met een vol-schaal uitschuifingswaarde van 1 mA en een spoelweerstand van 500 Ω. Met de wet van Ohm is de spanning die deze beweging tot vol-schaal drijft:

E = I R
E = (1 mA)(500 Ω) = 0,5 V

De onbewerkte beweging kan dus maximaal 0,5 V meten. Om het bereik hierboven uit te breiden, hebben we een proportionerende schakeling nodig die de spanning over de beweging beperkt, terwijl de meter hogere aangelegde spanningen kan weergeven.

Wanneer we een serieweerstand toevoegen—de zogenaamde vermenigvuldiger weerstand—wordt de beweging onderdeel van een spanningsdeler. De totale aan de seriekoppel aangelegde spanning wordt verdeeld over de vermenigvuldiger en de beweging, zodat alleen de juiste fractie de spoel bereikt.

De vermenigvuldiger weerstand berekenen

Stel we willen dat de 1 mA, 500 Ω beweging vol-schaal bereikt bij een aangelegde spanning van 10 V. We stellen eerst een E/I/R-tabel op voor de twee serie-elementen:

Met de beweging op vol-schaal (1 mA) en de totale aangelegde spanning op 10 V, wordt de tabel:

Er zijn twee gangbare manieren om de vermenigvuldiger-weerstand te vinden:

• Totale-weerstand methode: R_totaal = E/I = 10 V/1 mA = 10 kΩ. Trek de 500 Ω van de beweging af om R_vermenigvuldiger = 9,5 kΩ te krijgen.
• Spanningsval-methode: De beweging heeft 0,5 V val (E = IR). De overige 9,5 V moet over de vermenigvuldiger vallen. Met R = E/I geeft dit R_vermenigvuldiger = 9,5 kΩ opnieuw.

Beide benaderingen bevestigen dat een 9,5 kΩ vermenigvuldiger nodig is. Wanneer 10 V over de aansluitingen wordt aangelegd, vloeit 1 mA door de schakeling, de beweging ziet precies 0,5 V, en de wijzer wijst naar vol-schaal. Het metergezicht wordt simpelweg herlabeld om 0–10 V te lezen, zodat de gebruiker een correcte 10-volt lezing ziet zonder de onderliggende deling te kennen.

Dus wordt een gevoelige beweging "gebedrogen" door een precisie-weerstandsnetwerk om een hogere spanning weer te geven. Ammeters gebruiken een parallelle shunt-weerstand om stroom te delen, maar het onderliggende principe is identiek.

Multi-bereik voltmeterontwerp

Om een enkele beweging meerdere spanningbereiken te geven, contacteert een multi-pool selectieschakelaar verschillende vermenigvuldiger-weerstanden. Een typische vier-bereik voltmeter (1 V, 10 V, 100 V, 1 kV) gebouwd op een 1 mA, 500 Ω beweging zou de volgende weerstandswaarden gebruiken:

Deze waarden zijn vaak onpraktisch direct te verkrijgen. Ontwerpers gebruiken daarom een getrapte aanpak, waarbij standaard weerstandswaarden worden geselecteerd die samen het vereiste totaal vormen. Voor het 1 kV bereik contacteert de selectieschakelaar een 900 kΩ, 90 kΩ, 9 kΩ, en 500 Ω seriestapel:

Deze optellen geeft de exacte 999,5 kΩ die nodig is:

R_totaal = R4 + R3 + R2 + R1 = 900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω = 999,5 kΩ

Vanuit het perspectief van de gebruiker gedraagt de meter zich identiek over alle bereiken; alleen de schaallabels veranderen.

Overzicht

• Uitgebreide voltmeterbereiken worden bereikt door serie vermenigvuldiger-weerstanden toe te voegen die een spanningsdeler vormen.
• Elk bereik gebruikt een afzonderlijke weerstandswaarde of een combinatie van standaardwaarden.
• De gevoeligheid van de beweging blijft behouden terwijl meting van hoge spanningen mogelijk wordt.

Gerelateerde Werkbladen

• Voltmeter Ontwerp Werkblad
• Voltmeter Werkblad