Potentiometrisches Voltmeter

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 1, Kapitel 8:„DC-Messkreise“

LERNZIELE

• Um die Voltmeterbelastung zu beschreiben:ihre Ursachen und ihre Lösung
• Um zu veranschaulichen, wie ein Potentiometer als Quelle variabler Spannung verwendet wird
• Zur Veranschaulichung der potentiometrischen Methode der Spannungsmessung

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Bauen Sie die Spannungsteilerschaltung mit zwei Widerständen auf, die links im Schaltplan und in der Abbildung gezeigt wird.

Wenn die beiden hochwertigen Widerstände den gleichen Wert haben, sollte die Spannung der Batterie halbiert werden, wobei ungefähr 3 Volt an jedem Widerstand abfallen.

Messen Sie die Batteriespannung direkt mit einem Voltmeter und messen Sie dann den Spannungsabfall jedes Widerstands.

Bemerken Sie etwas Ungewöhnliches an den Messwerten des Voltmeters? Normalerweise addieren sich die Spannungsabfälle in Serie zu der gesamten angelegten Spannung, aber in diesem Fall werden Sie eine ernsthafte Diskrepanz feststellen.

Ist Kirchhoffs Spannungsgesetz falsch? Ist dies eine Ausnahme von einem der grundlegendsten Gesetze elektrischer Schaltkreise?

Nein! Was passiert ist folgendes:Wenn Sie ein Voltmeter an einen der Widerstände anschließen, verändert sich das Voltmeter den Stromkreis so, dass die Spannung nicht die gleiche ist wie ohne angeschlossenes Messgerät.

Ich verwende gerne die Analogie eines Luftdruckmessers, mit dem der Druck eines Luftreifens überprüft wird.

Wenn ein Manometer an das Füllventil des Reifens angeschlossen ist, lässt es etwas Luft aus dem Reifen.

Dies wirkt sich auf den Druck im Reifen aus, sodass das Messgerät einen etwas niedrigeren Druck anzeigt als der Reifendruck vor dem Anschließen des Messgeräts.

Mit anderen Worten, die Messung des Reifendrucks verändert der Reifendruck. Hoffentlich wird jedoch während der Messung so wenig Luft aus dem Reifen abgegeben, dass der Druckabfall vernachlässigbar ist.

Voltmeter beeinflussen in ähnlicher Weise die von ihnen gemessene Spannung, indem sie einen gewissen Strom um die Komponente herumleiten, deren Spannungsabfall gemessen wird.

Dies beeinflusst den Spannungsabfall, aber der Effekt ist so gering, dass Sie ihn normalerweise nicht bemerken.

Bei dieser Schaltung ist der Effekt jedoch sehr ausgeprägt. Warum ist das? Versuchen Sie, die beiden hochwertigen Widerstände durch zwei mit einem Wert von jeweils 100 kΩ zu ersetzen und wiederholen Sie das Experiment.

Ersetzen Sie diese Widerstände durch zwei 10 KΩ-Einheiten und wiederholen Sie den Vorgang. Was fällt Ihnen bei den Spannungswerten bei niederohmigen Widerständen auf?

Was sagt Ihnen das über die „Auswirkung“ des Voltmeters auf einen Stromkreis in Bezug auf den Widerstand dieses Stromkreises?

Ersetzen Sie alle niederohmigen Widerstände durch die ursprünglichen hochohmigen (>=1 MΩ) Widerstände, bevor Sie fortfahren.

Versuchen Sie, die Spannung an den beiden hochwertigen Widerständen – einen nach dem anderen – mit einem digitalen Voltmeter anstelle eines analogen Voltmeters zu messen.

Was fällt Ihnen bei den Messwerten des digitalen Messgeräts im Vergleich zu denen des analogen Messgeräts auf?

Digitale Voltmeter haben normalerweise einen größeren internen Widerstand (Sonde-zu-Sonde), was bedeutet, dass sie beim Messen derselben Spannungsquelle weniger Strom verbrauchen als vergleichbare analoge Voltmeter.

Ein ideales Voltmeter würde keinen Strom aus dem zu testenden Stromkreis ziehen und somit keine Spannungs-„Stoß“-Probleme erleiden.

Wenn Sie zufällig zwei Voltmeter haben, versuchen Sie Folgendes:Verbinden Sie ein Voltmeter mit einem Widerstand und das andere Voltmeter mit dem anderen Widerstand.

Die Spannungswerte, die Sie erhalten, summieren sich diesmal zur Gesamtspannung, unabhängig von den Widerstandswerten, auch wenn sie sich von den Messwerten unterscheiden, die von einem einzigen zweimal verwendeten Messgerät erhalten wurden.

Leider ist es jedoch unwahrscheinlich, dass die auf diese Weise erhaltenen Spannungswerte den tatsächlichen Spannungsabfällen ohne angeschlossene Messgeräte entsprechen, und daher ist dies keine praktische Lösung für das Problem.

Gibt es eine Möglichkeit, ein „perfektes“ Voltmeter herzustellen:eines, das einen unendlichen Widerstand hat und keinen Strom aus dem zu testenden Stromkreis zieht?

Moderne Laborvoltmeter nähern sich diesem Ziel durch die Verwendung von Halbleiter-„Verstärker“-Schaltungen, aber diese Methode ist technisch zu fortgeschritten, als dass sie vom Studenten oder Bastler kopiert werden könnte.

Eine viel einfachere und viel ältere Technik heißt potentiometrische oder Null-Saldo Methode.

Dies beinhaltet die Verwendung einer einstellbaren Spannungsquelle zum „Ausgleichen“ der gemessenen Spannung.

Wenn die beiden Spannungen gleich sind, wie von einem sehr empfindlichen Null-Detektor angezeigt , wird die einstellbare Spannungsquelle mit einem gewöhnlichen Voltmeter gemessen.

Da die beiden Spannungsquellen einander gleich sind, ist das Messen der einstellbaren Quelle dasselbe wie das Messen über den Prüfkreis, außer dass kein „Aufprall“-Fehler auftritt, da die einstellbare Quelle den vom Voltmeter benötigten Strom liefert. Folglich bleibt die zu testende Schaltung unbeeinflusst, sodass der wahre Spannungsabfall gemessen werden kann.

Untersuchen Sie das folgende Schema, um zu sehen, wie die Methode des potentiometrischen Voltmeters implementiert ist:

Das Kreissymbol mit dem geschriebenen Wort „null“ stellt den Nulldetektor dar.

Dies kann jede beliebige empfindliche Zählerbewegung oder Spannungsanzeige sein.

Sein einziger Zweck in dieser Schaltung besteht darin, anzuzeigen, wenn Null . ist Spannung:wenn die einstellbare Spannungsquelle (Potentiometer) genau gleich dem Spannungsabfall im zu prüfenden Stromkreis ist.

Je empfindlicher dieser Nulldetektor ist, desto genauer kann die einstellbare Quelle so eingestellt werden, dass sie der zu prüfenden Spannung entspricht, und desto genauer kann diese Prüfspannung gemessen werden.

Bauen Sie diese Schaltung wie in der Abbildung gezeigt auf und testen Sie ihre Funktion, indem Sie den Spannungsabfall an einem der hochohmigen Widerstände in der Testschaltung messen.

Es kann einfacher sein, zunächst ein normales Multimeter als Nulldetektor zu verwenden, bis Sie sich mit dem Einstellen des Potentiometers für eine „Null“-Anzeige vertraut gemacht haben und dann das am Potentiometer angeschlossene Voltmeter ablesen.

Wenn Sie den kopfhörerbasierten Spannungsdetektor als Null-Messgerät verwenden, müssen Sie den Kontakt mit dem zu prüfenden Stromkreis zeitweise herstellen und unterbrechen und auf „Klickgeräusche“ achten.

Befestigen Sie dazu eine der Prüfspitzen fest am Prüfkreis und halten Sie die andere Prüfspitze immer wieder kurz an der anderen Stelle im Prüfkreis, und achten Sie dabei auf Geräusche im Kopfhörer, die auf einen Spannungsunterschied zwischen Prüfkreis und Potentiometer.

Stellen Sie das Potentiometer ein, bis keine Klickgeräusche mehr aus den Kopfhörern zu hören sind. Dies zeigt einen „Null“- oder „Ausgeglichen“-Zustand an, und Sie können die Voltmeteranzeige ablesen, um zu sehen, wie viel Spannung über den Prüfkreiswiderstand abfällt.

Leider liefert der kopfhörerbasierte Nulldetektor keinen Hinweis darauf, ob die Potentiometerspannung größer ist , oder weniger als die Prüfkreisspannung, also müssen Sie auf Abnahme achten „Klick“-Intensität beim Drehen des Potentiometers, um zu bestimmen, ob Sie die Spannung höher oder niedriger einstellen müssen.

Möglicherweise stellen Sie fest, dass ein Potentiometer mit einer Umdrehung („3/4 Umdrehung“) ein zu grobes Einstellgerät ist, um den Messkreis genau auf Null zu setzen.

Für eine höhere Einstellgenauigkeit kann ein Multiturn-Potentiometer anstelle der Singleturn-Einheit verwendet werden, oder es kann die in einem früheren Experiment beschriebene "Präzisionspotentiometer"-Schaltung verwendet werden.

Vor dem Aufkommen der verstärkten Voltmeter-Technologie war die potentiometrische Methode die einzige Methode zur Durchführung hochgenauer Spannungsmessungen.

Schon jetzt nutzen Labore für elektrische Normierungen diese Technik zusammen mit der neuesten Messgerätetechnologie, um „Auswirkungsfehler“ des Messgeräts zu minimieren und die Messgenauigkeit zu maximieren.

Obwohl die potentiometrische Methode mehr Geschick erfordert als das einfache Anschließen eines modernen Digitalvoltmeters an eine Komponente und für alle außer den präzisesten Messanwendungen als obsolet gilt, ist sie dennoch ein wertvoller Lernprozess für den neuen Elektronikstudenten und eine nützliche Technik für den Bastler, dem in seinem Heimlabor möglicherweise teure Instrumente fehlen.

COMPUTER-SIMULATION

Schema mit SPICE-Knotennummern:

Netzliste (erstellen Sie eine Textdatei mit dem folgenden Text, wörtlich):

Potentiometrisches 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 

Diese SPICE-Simulation zeigt die tatsächliche Spannung an R₂ der Testschaltung, die Spannung des Nulldetektors und die Spannung an der einstellbaren Spannungsquelle, da diese Quelle in 0,5-Volt-Schritten von 0 Volt auf 6 Volt eingestellt wird.

In der Ausgabe dieser Simulation werden Sie feststellen, dass die Spannung an R₂ ist stark beeinträchtigt, wenn der Messkreis unsymmetrisch ist und erst dann zu seiner wahren Spannung zurückkehrt, wenn am Nulldetektor praktisch keine Spannung anliegt.

An diesem Punkt hat die einstellbare Spannungsquelle natürlich einen Wert von 3.000 Volt:genau gleich dem (unbeeinflussten) Spannungsabfall der Testschaltung.

Was ist die Lehre aus dieser Simulation? Dass ein potentiometrisches Voltmeter vermeidet, nur den Prüfkreis zu beeinträchtigen wenn es sich in einem perfekten Gleichgewichtszustand ("null") mit der Testschaltung befindet!

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• DC-Messtechnik-Arbeitsblatt