Вплив вольтметра на вимірювану ланцюг
Будь-вимірювальний прилад в деякій мірі впливає на вимірювану ланцюг. Це вплив аналогічно впливу манометра на тиск в шинах, при вимірюванні якого незначна частина повітря вивільняється. Незважаючи на те, що такий вплив неминуче, воно може бути мінімізовано грамотної конструкцією вимірювального приладу.
Так як вольтметр завжди приєднується паралельно компоненту або групі компонентів вимірюваної схеми, будь проходить через нього струм буде впливати на загальний струм цієї схеми, а значить і на вимірюється напруга. Чи не "забирає" ток від тестованої ланцюга тільки ідеальний вольтметр, тому що він має нескінченну опір. Однак, ідеальні вольтметри існують тільки на сторінках підручників, в реальному житті їх немає. Давайте візьмемо наступну схему дільника напруги, і на її прикладі розглянемо вплив вольтметра на вимірювану ланцюг:
Поки вольтметр не підключений до цього ланцюга, напруга на кожному з резисторів становить 12 вольт (два резистора однакового розміру ділять вихідне напруга рівно навпіл). Їли ми підключимо вольтметр з внутрішнім опором 10 МОм (стандартна величина сучасних цифрових вольтметрів) до нижнього резистору схеми, то створимо свого роду паралельне з'єднання двох опорів:
Ця дія знизить опір нижнього еквівалентного резистора (паралельно з'єднані опору 250 і 10 МОм) до 9,615 МОм, що кардинальним чином змінить розподіл напружень в схемі. На нижньому резисторі напруга тепер буде набагато менше ніж раніше, а на верхньому - набагато більше:
Дільник напруги з опорами резисторів 250 і 9,615 МОм розділить напруга джерела живлення 24В на дві частини - 23,1111 і 0,8889 вольт відповідно. Так як вольтметр є частиною опору 9,615 МОм, його індикатор покаже напруга 0,8889 вольт.
Вольтметр не може "знати", що до його підключення до ланцюга напруга на нижньому резистори (опором 250 МОм) мало величину 12 вольт. Сам факт підключення вольтметра до схеми робить його частиною цієї схеми, а значить власне опір вольтметра змінює співвідношення опорів подільника, впливаючи тим самим на вимірювана напруга.
Якщо провести аналогію останнього прикладу з вимірюванням тиску в шинах, то то манометру для роботи потрібна така кількість повітря, що в процесі вимірювання він практично весь вийде назовні. Кількість повітря, споживаного манометром при вимірюванні тиску в шинах аналогічно кількості струму, споживаного вольтметром при вимірюванні напруги. Чим менше повітря вимагає манометр для своєї роботи, тим менше він буде здувати шини в процесі вимірювання. Чим менше струму для свого роботи вимагає вольтметр, тим менше навантаження він надає на тестируемую ланцюг.
Такий ефект називається навантажувальні, і він певною мірою присутній в кожному випадку використання вольтметра, змушуючи його відображати напруга менше істинного. Вище нами було розглянуто найгірший сценарій, в якому опір вольтметра значно нижче опорів резисторів дільника. Очевидно, чим більше опір вольтметра, тим менше навантаження на тестируемую ланцюг. Саме тому ідеальний вольтметр має нескінченну внутрішній опір.
Для вольтметрів з електромеханічними індикаторами кількісний вплив навантажувального ефекту на вимірювану ланцюг виражається через їх чутливість, яка оцінюється в "Омасі на вольт" (Ом / В). Це робиться тому, що такі вольтметри для різних діапазонів вимірювання використовують різні резистори, завдяки чому їх внутрішньо опір буде змінюватися в залежності від діапазону. Цифрові вольтметри, на відміну від електромеханічних, незалежно від діапазону вимірювання мають постійний опір (але не завжди), тому вплив навантажувального ефекту на вимірювану ланцюг для них виражається через внутрішній опір, яке оцінюється в Омах.
Чутливість вольтметра (Ом / В) показує величину множника, на який потрібно помножити опір резистора, щоб збільшити шкалу вимірювача на 1 В. Як приклад давайте візьмемо схему вольтметра з попередньої статті:
Для діапазону вимірювання 1000 В, загальний внутрішній опір цього вольтметра дорівнюватиме 1 МОм (999,5 кОм + 500 Ом), що дасть нам чутливість 1000000 Ом на 1000 вольт або 1000 Ом на вольт (1кОм / В). Ця чутливість буде постійною для будь-якого діапазону даного приладу:
Проникливий спостерігач помітить, що чутливість (Ом / В) будь-якого індикатора визначається єдиним фактором - його номінальним (граничним) струмом, який в нашому випадку становить 1 мА. До такого висновку можна прийти, якщо врахувати наступне: величина "Ом / В" математично обратна величиною "В / Ом", яка згідно із законом Ома є силою струму (I = U / R). Звідси випливає, що номінальний струм індикатора, що визначає його чутливість, не залежить діапазонів вимірювань, якими оснащений вольтметр за допомогою додаткових резисторів. У нашому випадку номінальний струм індикатора величиною 1 мА дає вольтметру чутливість 1000 Ом / В в незалежності від обраного діапазону вимірювань.
Щоб звести до мінімуму навантаження вольтметра на будь-яку тестируемую схему, потрібно мінімізувати номінальний струм індикатора. Для досягнення цієї мети можна замінити індикатор на більш чутливий (якому потрібно менше струму для повного відхилення стрілки), але такий компроміс спричинить за собою втрату міцності, так як більш чутливий індикатор буде більш крихким.
Інший підхід до вирішення даної проблеми полягає у використанні спеціальної схеми, яка збільшить подається на індикатор ток, знизивши при цьому струм, споживаний приладом від схеми в процесі вимірювання. Така схема називається підсилювачем постійного струму:
Конструкція підсилювача досить складна для розгляду на даному етапі, тому достатньо буде сказати, що його схема дозволяє вимірюваному напрузі контролювати кількість струму, що постачається на індикатор від внутрішнього джерела живлення (наприклад батареї). Таким чином, потреба індикатора в струмі задовольняється за чет внутрішньої батареї вольтметра, а не за рахунок тестируемой ланцюга. Вольтметр, який використовує підсилювач постійного струму, як і раніше буде навантажувати схему в процесі вимірювання, але це навантаження буде в сотні або тисячі разів менше, ніж у вольтметра без підсилювача.
До появи напівпровідникових приладів, відомих як польові транзистори, як підсилюючих пристроїв цих приладів використовувалися електронні лампи. Такі лампові вольтметри коли то були дуже популярними інструментами для проведення вимірювань і тестування схем.
В даний час завдання посилення струму в цифрових вимірювальних приладах виконують схеми на напівпровідникових транзисторах. Незважаючи на те, що така конструкція (використання підсилювача для підвищення вимірюваного струму) дуже добре працює, вона значно ускладнює прилад і робить незрозумілою його роботу для початківців радіоаматорів.
Простим і геніальним рішенням проблеми навантажувального ефекту, створюваного вольтметром, є використання потенціометричного інструменту або інструменту нульового балансу. Цей метод не вимагає просунутих електронних схем і чутливих пристроїв, таких як транзистори або електронні лампи, але він передбачає активну участь і майстерність користувача. Принцип роботи потенциометрического інструменту полягає в наступному. Береться окреме джерело живлення з регульованою напругою і через детектор "нуля" підключається до тих точках ланцюга, де потрібно виміряти напругу. Після цього напруга регульованого джерела налаштовується на вимірювана напруга, рівність яких покаже детектор "нуля". У деяких схемах, для регулювання напруги використовується прецизійний потенціометр, тому їх і назвали потенциометрическом інструментами. Якщо ці два напруги дорівнюватимуть, то вольтметр в процесі вимірювання буде споживати нульової ток від тестованої ланцюга, не надаючи на неї ніякого впливу. Давайте розглянемо як все це працює на прикладі вищезгаданої схеми подільника напруги:
Детектор "нуля" є чутливе пристрій, здатний реєструвати наявність дуже малих напруг. Якщо в якості такого детектора використовується електромеханічний індикатор, то він повинен бути чутливим до полярності (його стрілка повинна знаходитися в центрі шкали, і в залежності від полярності напруги відхилятися в ту або іншу сторону). Оскільки метою детектора є вказівка на стан нульової напруги, розмітка шкали його індикатора не має особливого значення.
Найпростіший детектор "нуля" можна побудувати на базі звичайних навушників, динаміки яких будуть виступати в ролі своєрідного індикатора. У момент подачі на навушники напруги, потік електронів перемістить дифузори динаміків і ви почуєте в них клацання. Ще один клацання ви почуєте при відключенні джерела напруги. Таким чином, детектор "нуля" можна зробити з навушників і кнопкового перемикача:
Якщо для цієї мети використовувати навушники опором 8 Ом, то їх чутливість може бути збільшена за допомогою трансформатора. В основі роботи трансформатора лежить принцип електромагнетизму, який перетворює рівні пульсуючих напруг і струмів. У нашому випадку можна застосувати понижуючий трансформатор, який перетворює імпульси невеликої струму (створені шляхом натискання і віджимання кнопкового перемикача) в більш високі, що забезпечить більш ефективне управління диффузорами навушників. Трансформатор з співвідношенням опорів 1000: 8 ідеально підійде для цієї мети. Крім іншого, трансформатор накопичує енергію слаботочного сигналу в своєму магнітному полі, щоб потім, при натисканні кнопки, викинути її в динаміки навушників, підвищуючи тим самим чутливість детектора. Таким чином, використання трансформатора робить щічки голосніше, що дозволяє виявити слабкі сигнали:
Нижче наведена схема, в якій в якості детектора "нуля" виступають навушники, трансформатор і кнопковий перемикач:
Детектор "нуля" працює подібно лабораторним ваг, він показує тільки рівність двох напруг (його відсутність між точками 1 і 2), і нічого більше. Лабораторні ваги показують рівність між невідомою масою і купою стандартних (каліброваних) мас:
Детектор покаже рівність напруг між точками 1 і 2 в тому випадку, якщо напруга регульованого джерела живлення буде дорівнює напрузі на резисторі R2 (дивись другий закон Кірхгофа ).
Для роботи з потенціометричним інструментом необхідно таким чином налаштувати регульований джерело живлення, щоб індикатор детектора "нуля" показав нульове значення (при використанні навушників потрібно домогтися припинення клацань шляхом багаторазових натискань на кнопковий перемикач). Тільки після цього можна зафіксувати значення виміряного вольтметром напруги:
При використанні потенциометрического інструменту вольтметру не потрібен високочутливий індикатор, тому що він вимірює напругу над схемою, а на регульованому джерелі живлення, напруга якого прирівнюється до вимірюваного за допомогою детектора "нуля". Весь необхідний для роботи вольтметра ток поставляється все тим же регульованим джерелом живлення. Так як напруга на детекторі "нуля" в цьому випадку буде нульове, то і струм між точками 1 і 2 буде дорівнює нулю, а це значить, що навантаження на схему в процесі вимірювання практично не буде.
Ще раз повторимося, що цей метод, виконаний належним чином, створить майже нульову навантаження на вимірювану ланцюг. В ідеалі він взагалі не повинен навантажувати схему, але для досягнення такого результату на детекторі "нуля" має бути абсолютно нульова напруга, яке вимагатиме нескінченно чутливого індикатора і ідеального балансу напруг. Незважаючи на практичну неможливість досягнення абсолютно нульовий навантаження на тестируемую схему, потенціометричні інструменти є відмінним рішенням для вимірювання тиску в високоомних ланцюгах. На відміну від електронних підсилювачів струму, які вирішують цю проблему за допомогою передових технологій, потенциометрический метод досягає гіпотетично ідеального результату базуючись тільки на другому законі Кирхгофа .