Einfluss des Voltmeters auf den gemessenen Stromkreis

Jeder Meter beeinflusst die Strecke, die er misst, in gewissem Maße, genauso wie jeder Reifendruckmesser den gemessenen Reifendruck geringfügig ändert, wenn etwas Luft zum Betrieb des Messgeräts abgelassen wird. Ein gewisser Einfluss ist zwar unvermeidlich, kann aber durch ein gutes Messgerätdesign minimiert werden.

Spannungsteilerschaltung

Da Voltmeter immer parallel zu der oder den zu testenden Komponenten geschaltet sind, trägt jeder Strom durch das Voltmeter zum Gesamtstrom im getesteten Stromkreis bei und beeinflusst möglicherweise die gemessene Spannung. Ein perfektes Voltmeter hat einen unendlichen Widerstand, sodass es keinen Strom aus dem zu prüfenden Stromkreis zieht. Perfekte Voltmeter gibt es jedoch nur auf den Seiten von Lehrbüchern, nicht im wirklichen Leben! Nehmen Sie die folgende Spannungsteilerschaltung als extremes Beispiel dafür, wie ein realistisches Voltmeter die Messung der Schaltung beeinflussen könnte:

Wenn kein Voltmeter an den Stromkreis angeschlossen ist, sollten an jedem 250-MΩ-Widerstand in der Reihenschaltung genau 12 Volt anliegen, wobei die beiden gleichgroßen Widerstände die Gesamtspannung (24 Volt) genau halbieren. Wenn das fragliche Voltmeter jedoch einen Leiter-zu-Leiter-Widerstand von 10 MΩ hat (ein üblicher Wert für ein modernes digitales Voltmeter), bildet sein Widerstand beim Anschluss eine parallele Teilschaltung mit dem unteren Widerstand des Teilers:

Dadurch wird der untere Widerstand effektiv von 250 MΩ auf 9,615 MΩ (250 MΩ und 10 MΩ parallel) reduziert und die Spannungsabfälle im Stromkreis drastisch verändert. Der untere Widerstand hat jetzt viel weniger Spannung als zuvor und der obere Widerstand viel mehr.

Messspannungsteiler

Ein Spannungsteiler mit Widerstandswerten von 250 MΩ und 9,615 MΩ teilt 24 Volt in Abschnitte von 23,1111 Volt bzw. 0,8889 Volt. Da das Voltmeter Teil dieses Widerstands von 9,615 MΩ ist, wird dies angezeigt:0,8889 Volt.

Jetzt kann das Voltmeter nur die Spannung anzeigen, an der es angeschlossen ist. Es hat keine Möglichkeit zu „wissen“, dass vor ein Potential von 12 Volt über den unteren 250-MΩ-Widerstand abgefallen ist es war darüber verbunden. Das Anschließen des Voltmeters an den Stromkreis macht es zu einem Teil des Stromkreises, und der eigene Widerstand des Voltmeters ändert das Widerstandsverhältnis der Spannungsteilerschaltung und beeinflusst folglich die gemessene Spannung.

Wie funktioniert ein Voltmeter?

Stellen Sie sich vor, Sie verwenden einen Reifendruckmesser, der zum Betrieb so viel Luft benötigt, dass er jeden Reifen, an den es angeschlossen ist, entleeren würde. Die Luftmenge, die das Manometer bei der Messung verbraucht, ist analog zu dem Strom, den die Voltmeterbewegung zum Bewegen der Nadel aufnimmt. Je weniger Luft ein Manometer zum Betrieb benötigt, desto weniger Luft entleert sich der zu prüfende Reifen. Je weniger Strom ein Voltmeter zum Betätigen der Nadel aufnimmt, desto weniger belastet es den zu prüfenden Stromkreis.

Dieser Effekt wird als Laden bezeichnet , und es ist bis zu einem gewissen Grad in jedem Fall des Voltmetergebrauchs vorhanden. Das hier gezeigte Szenario ist der Worst-Case, mit einem Voltmeter-Widerstand, der wesentlich niedriger ist als die Widerstände der Teilerwiderstände. Aber es wird immer eine gewisse Belastung geben, die dazu führt, dass das Messgerät weniger als die wahre Spannung anzeigt, wenn kein Messgerät angeschlossen ist. Je höher der Widerstand des Voltmeters ist, desto geringer ist natürlich die Belastung des zu prüfenden Stromkreises, und deshalb hat ein ideales Voltmeter einen unendlichen Innenwiderstand.

Voltmeter mit elektromechanischen Bewegungen erhalten normalerweise Nennwerte in "Ohm pro Volt" des Bereichs, um die Stärke der Stromkreisbelastung anzugeben, die durch die Stromaufnahme des Uhrwerks erzeugt wird. Da solche Messgeräte auf unterschiedliche Werte von Multiplikatorwiderständen angewiesen sind, um unterschiedliche Messbereiche zu ergeben, ändern sich ihre Leitungs-zu-Leitung-Widerstände je nach eingestelltem Bereich. Digitalvoltmeter hingegen weisen unabhängig von der Bereichseinstellung häufig einen konstanten Widerstand über ihre Messleitungen auf (aber nicht immer!) und werden daher normalerweise einfach in Ohm des Eingangswiderstands und nicht als „Ohm pro Volt“-Empfindlichkeit bewertet.

Was „Ohm pro Volt“ bedeutet, ist, wie viele Ohm des Kabel-zu-Kabel-Widerstands für jedes Volt der Bereichseinstellung am Wahlschalter. Nehmen wir als Beispiel unser Beispielvoltmeter aus dem letzten Abschnitt:

Auf der 1000-Volt-Skala beträgt der Gesamtwiderstand 1 MΩ (999,5 kΩ + 500Ω), was 1.000.000 Ω pro 1.000 Volt Reichweite oder 1.000 Ohm pro Volt (1 kΩ/V) ergibt. Diese „Empfindlichkeit“ in Ohm pro Volt bleibt für alle Bereiche dieses Messgeräts konstant:

Der aufmerksame Beobachter wird feststellen, dass die Ohm-pro-Volt-Nennwerte jedes Messgeräts von einem einzigen Faktor bestimmt werden:dem vollen Strom des Uhrwerks, in diesem Fall 1 mA. „Ohm pro Volt“ ist der mathematische Kehrwert von „Volt pro Ohm“, der durch das Ohmsche Gesetz als Strom (I=E/R) definiert wird. Folglich ist der aktuelle der Bewegung bestimmt die Ω/Volt-Empfindlichkeit des Messgeräts, unabhängig davon, mit welchen Bereichen der Designer es durch Multiplikatorwiderstände ausstattet. In diesem Fall verleiht der Skalenendwert des Zählerwerks von 1 mA eine Empfindlichkeit des Voltmeters von 1000 Ω/V, unabhängig davon, wie wir es mit Multiplikatorwiderständen einstellen.

Um die Belastung eines Voltmeters in einem Stromkreis zu minimieren, muss der Entwickler versuchen, die Stromaufnahme seiner Bewegung zu minimieren. Dies kann erreicht werden, indem das Uhrwerk selbst für maximale Empfindlichkeit neu konstruiert wird (weniger Strom wird für die vollständige Auslenkung benötigt), aber der Kompromiss hier ist normalerweise Robustheit:Ein empfindlicheres Uhrwerk ist tendenziell zerbrechlicher.

Ein anderer Ansatz besteht darin, den an das Uhrwerk gesendeten Strom elektronisch zu verstärken, sodass nur sehr wenig Strom aus dem zu prüfenden Stromkreis gezogen werden muss. Diese spezielle elektronische Schaltung ist als Verstärker bekannt , und das so konstruierte Voltmeter ist ein verstärktes Voltmeter .

Die interne Funktionsweise eines Verstärkers ist zu komplex, um an dieser Stelle diskutiert zu werden, aber es genügt zu sagen, dass die Schaltung es ermöglicht, die gemessene Spannung zu steuern wie viel Batteriestrom an das Zählerwerk gesendet wird. Somit wird der Strombedarf des Uhrwerks von einer internen Batterie des Voltmeters und nicht von der zu prüfenden Schaltung gedeckt. Der Verstärker belastet die zu testende Schaltung immer noch bis zu einem gewissen Grad, aber im Allgemeinen Hundert- oder Tausendmal weniger als die Bewegung des Messgeräts selbst.

Vakuumröhren-Voltmeter (VTVMs)

Vor dem Aufkommen von Halbleitern, die als „Feldeffekttransistoren“ bekannt sind, wurden Vakuumröhren als Verstärker verwendet, um diese Verstärkung durchzuführen. Solche Vakuumröhrenvoltmeter , oder (VTVMs) waren einst sehr beliebte Instrumente für die elektronische Prüfung und Messung. Hier ist ein Foto eines sehr alten VTVM mit freigelegter Vakuumröhre!

Jetzt erfüllen Halbleitertransistor-Verstärkerschaltungen die gleiche Aufgabe in digitalen Messgerätdesigns. Obwohl dieser Ansatz (der Verwendung eines Verstärkers zur Verstärkung des gemessenen Signalstroms) gut funktioniert, verkompliziert er das Design des Messgeräts erheblich, sodass es für den beginnenden Elektronikstudenten fast unmöglich ist, seine interne Funktionsweise zu verstehen.

Eine letzte und geniale Lösung für das Problem der Voltmeterbelastung ist die der potentiometrischen oder Null-Saldo Instrument. Es erfordert keine fortschrittlichen (elektronischen) Schaltkreise oder empfindlichen Geräte wie Transistoren oder Vakuumröhren, erfordert jedoch mehr Engagement und Geschick der Techniker. In einem potentiometrischen Instrument wird eine präzise einstellbare Spannungsquelle mit der gemessenen Spannung verglichen und ein empfindliches Gerät namens Nulldetektor wird verwendet, um anzuzeigen, wenn die beiden Spannungen gleich sind.

In einigen Schaltungsdesigns ist ein Präzisions-Potentiometer wird verwendet, um die einstellbare Spannung bereitzustellen, daher die Bezeichnung potentiometrisch . Wenn die Spannungen gleich sind, wird aus dem zu prüfenden Schaltkreis kein Strom gezogen, und daher sollte die gemessene Spannung nicht beeinflusst werden. Wie das funktioniert, lässt sich leicht an unserem letzten Beispiel, der hochohmigen Spannungsteilerschaltung, zeigen:

Null-Detektor

Der „Nulldetektor“ ist ein empfindliches Gerät, das das Vorhandensein sehr kleiner Spannungen anzeigen kann. Wenn ein elektromechanisches Messwerk als Nulldetektor verwendet wird, hat es eine federzentrierte Nadel, die in beide Richtungen ausgelenkt werden kann, um zum Anzeigen einer Spannung beider Polaritäten nützlich zu sein. Da der Zweck eines Nulldetektors darin besteht, einen Zustand von Null genau anzuzeigen Spannung, anstatt eine bestimmte (von Null verschiedene) Größe anzuzeigen, wie es ein normales Voltmeter tun würde, ist die Skala des verwendeten Instruments irrelevant. Null-Detektoren sind in der Regel so empfindlich wie möglich konstruiert, um einen „Null“- oder „Gleichgewichts“-Zustand (Nullspannung) genauer anzuzeigen.

Eine extrem einfache Art von Nulldetektor ist ein Audio-Kopfhörer, dessen Lautsprecher als eine Art Messwerk fungieren. Wenn anfänglich eine Gleichspannung an einen Lautsprecher angelegt wird, bewegt der resultierende Strom durch ihn den Lautsprecherkonus und erzeugt ein hörbares „Klicken“. Ein weiteres „Klick“-Geräusch ist zu hören, wenn die Gleichstromquelle getrennt wird. Auf diesem Prinzip aufbauend kann ein empfindlicher Nulldetektor aus nichts anderem als einem Kopfhörer und einem Tastschalter bestehen:

Wenn zu diesem Zweck ein „8-Ohm“-Kopfhörer verwendet wird, kann seine Empfindlichkeit stark erhöht werden, indem man ihn an ein Gerät namens Transformator anschließt . Der Transformator nutzt die Prinzipien des Elektromagnetismus, um die Spannungs- und Strompegel der elektrischen Energieimpulse zu „transformieren“. In diesem Fall ist der verwendete Transformatortyp ein Abwärtstransformator Transformator und wandelt Impulse mit niedrigem Strom (erzeugt durch Schließen und Öffnen des Druckknopfschalters, während er an eine kleine Spannungsquelle angeschlossen ist) in Impulse mit höherem Strom um, um die Lautsprechermembranen im Kopfhörer effizienter anzutreiben.

Ein Übertrager „Audioausgang“ mit einem Impedanzverhältnis von 1000:8 ist hierfür ideal. Der Transformator erhöht auch die Empfindlichkeit des Detektors, indem er die Energie eines Niedrigstromsignals in einem Magnetfeld akkumuliert, um beim Öffnen des Schalters plötzlich in die Kopfhörerlautsprecher abgegeben zu werden. Daher erzeugt es lautere „Klicks“, um kleinere Signale zu erkennen:

Als Nulldetektor an den Potentiometerkreis angeschlossen, wird die Schalter/Transformator/Kopfhörer-Anordnung als solche verwendet:

Der Zweck jedes Nulldetektors besteht darin, wie eine Laborwaage zu fungieren, die anzeigt, wann die beiden Spannungen gleich sind (Fehlen der Spannung zwischen den Punkten 1 und 2) und nicht mehr. Der Waagebalken der Laborwaage wiegt eigentlich nichts; es zeigt vielmehr einfach Gleichheit zwischen der unbekannten Masse und dem Haufen von Standardmassen (kalibriert).

Ebenso zeigt der Nulldetektor einfach an, wenn die Spannung zwischen den Punkten 1 und 2 gleich ist, was (gemäß dem Kirchhoffschen Spannungsgesetz) der Fall ist, wenn die einstellbare Spannungsquelle (das Batteriesymbol mit einem diagonalen Pfeil durch sie hindurch) genau die gleiche Spannung hat zum Tropfen über R2.

Um dieses Instrument zu betreiben, würde der Techniker den Ausgang der Präzisionsspannungsquelle manuell einstellen, bis der Nulldetektor genau Null anzeigt (bei Verwendung von Audiokopfhörern als Nulldetektor würde der Techniker den Druckknopfschalter wiederholt drücken und loslassen und auf Stille lauschen, um anzuzeigen dass die Schaltung „symmetrisch“ war), und notieren Sie dann die Quellenspannung, die von einem Voltmeter angezeigt wird, das an die Präzisionsspannungsquelle angeschlossen ist, wobei diese Anzeige für die Spannung am unteren 250-MΩ-Widerstand repräsentativ ist:

Das zur direkten Messung der Präzisionsquelle verwendete Voltmeter muss keine extrem hohe /V-Empfindlichkeit aufweisen, da die Quelle den gesamten Strom liefert, den sie zum Betrieb benötigt. Solange am Nulldetektor keine Spannung anliegt, gibt es zwischen den Punkten 1 und 2 keinen Strom, was einer Belastung der zu testenden Teilerschaltung entspricht.

Es lohnt sich, die Tatsache zu wiederholen, dass diese Methode, richtig ausgeführt, fast keine Last verursacht auf der gemessenen Schaltung. Im Idealfall wird die getestete Schaltung absolut nicht belastet, aber um dieses ideale Ziel zu erreichen, müsste der Nulldetektor absolut keine Spannung an ihm haben , was ein stufenlos empfindliches Nullmeter und eine perfekte Spannungsbalance der einstellbaren Spannungsquelle erfordern würde.

Trotz ihrer praktischen Unfähigkeit, eine absolute Nulllast zu erreichen, ist eine potentiometrische Schaltung jedoch immer noch eine ausgezeichnete Technik zum Messen von Spannung in hochohmigen Schaltungen. Und im Gegensatz zur elektronischen Verstärkerlösung, die das Problem mit fortschrittlicher Technologie löst, erreicht die potentiometrische Methode eine hypothetisch perfekte Lösung durch Ausnutzung eines fundamentalen Elektrizitätsgesetzes (KVL).

RÜCKBLICK:

• Ein ideales Voltmeter hat einen unendlichen Widerstand.
• Ein zu niedriger Innenwiderstand eines Voltmeters wirkt sich nachteilig auf den zu messenden Stromkreis aus.
• Vakuumröhrenvoltmeter (VTVMs), Transistorvoltmeter und potentiometrische Schaltkreise sind alle Mittel zur Minimierung der Belastung eines gemessenen Schaltkreises. Von diesen Methoden ist die potentiometrische ("Null-Balance")-Technik die einzige, die in der Lage ist, Null . zu setzen Belastung des Stromkreises.
• Ein Null-Detektor ist ein Gerät, das für maximale Empfindlichkeit gegenüber kleinen Spannungen oder Strömen gebaut wurde. Es wird in potentiometrischen Voltmeterschaltungen verwendet, um die Abwesenheit anzuzeigen der Spannung zwischen zwei Punkten, wodurch ein Gleichgewichtszustand zwischen einer einstellbaren Spannungsquelle und der gemessenen Spannung angezeigt wird.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für die grundlegende Voltmeter-Verwendung