Как понять какое напряжение показывает вольтметр

Вольтметр. Прибор для измерения напряжения в электрической цепи

Все мы знаем, что напряжение в бытовой розетке 220 В (стоит помнить, что не во всех странах). Но ведь оно иногда может быть больше или меньше и возникает логичный вопрос — а как померять напряжение? Для этого нам и нужен вольтметр.

И так, вольтметр — это прибор, который измеряет разность потенциалов (в Вольтах) или напряжение. Принцип работы классического вольтметра довольно прост — ток, который индуцируется в катушке при подключении к источнику напряжения, создает вращающий момент, который перемешает стрелку электроизмерительного прибора. Отклонение стрелки всегда прямо пропорционально разности потенциалов между измеряемыми точками. Стоит помнить, что вольтметр ВСЕГДА подключается параллельно к цепи, в которой ведется измерение напряжения.

Обозначение вольтметра в электрической цепи

В электрических схемах вольтметр всегда представлен в виде круга с двумя клеммами с латинской буквой V внутри:

Почему вольтметр всегда подключен параллельно?

Сопротивление у идеального вольтметра равно бесконечности. Но это у идеального, у реального оно значительно меньше, но все еще очень высоко. Поэтому при подключении измерительного прибора в цепь последовательно его показания не будут иметь ничего общего с правдой, а его внутреннее сопротивление окажет существенное влияние на электрическую цепь (практически разрыв цепи из-за большого внутреннего сопротивления).

Вольтметр всегда подключается параллельно цепи, так что падение напряжения на измерительном приборе никак не влияет на работу электрической цепи. Также если измерительный прибор является многопредельным (например 3, 15, 75 и 150 В), при переключении предела последовательно катушке измерения вводится добавочное сопротивление (как правило оно уже установлено в корпусе прибора, но стоит уточнить это в техпаспорте), которое предохраняет измерительную катушку электрического прибора от токов выше номинального и обеспечивают точность измерения.

Почему вольтметр имеет большое сопротивление?

Вольтметр имеет очень высокое внутреннее сопротивление, потому что он измеряет разность потенциалов между двумя точками цепи. Вольтметр не влияет на ток измеряемой цепи.

Если измерительный прибор имеет низкое сопротивление, через него будет проходить ток (согласно первому закону Кирхгофа ток будет распределяться между двумя ветвями цепи — часть тока будет протекать через нагрузку, а часть через вольтметр, именно поэтому его сопротивление должно быть как можно больше — чтоб минимизировать ток), и на выходе мы получим неверный результат. Большое сопротивление вольтметра не позволяет току проходить через него (разрыв цепи), и, таким образом, получают показания напряжения.

Какие бывают типы вольтметров

Вольтметры, как и любые другие электроизмерительные приборы, классифицируются в зависимости от назначения и конструкции. Более подробно на рисунке ниже:

Вольтметр с подвижной катушкой и с постоянными магнитами (PMMC)

Такой прибор работает по магнитоэлектрическому принципу. В двух словах это означает следующее — в постоянное магнитное поле помещается катушка измерительного прибора, которая подключается к электрической цепи, в которой проводится измерение. При протекании тока через катушку электромагнитная сила создаст вращающий момент, который повернет
стрелку измерительного прибора на определенный угол.

Вольтметр с подвижной катушкой и с постоянными магнитами (PMMC) используется только в сетях постоянного тока. Такой тип устройства имеет очень низкое энергопотребление и очень высокую точность. Единственным его недостатком является стоимость.

Электромагнитный вольтметр (MI вольтметр)

Электромагнитный вольтметр может использоваться для измерения как постоянного, так и переменного напряжения. В таком типе приборов отклонение стрелки зависит от напряжения катушки. Электромагнитные вольтметры разделяют на два типа:

• электромагнитный измерительный прибор с плоской катушкой.
• электромагнитный измерительный прибор с круглой катушкой.

Электродинамический вольтметр

Электродинамический вольтметр используется для измерения напряжения цепи переменного и постоянного тока. В приборах этого типа калибровка одинакова как для измерения переменного, так и постоянного тока.

Вольтметр с выпрямительной системой

Такой тип прибора используется в цепях переменного тока для измерения напряжения. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный ток, после чего сигнал постоянного тока измеряется прибором с подвижной катушкой и с постоянными магнитами.

Аналоговый вольтметр

Аналоговый вольтметр используется для измерения переменного и постоянного напряжения. Он отображает показания через указатель, который зафиксирован на калиброванной шкале. Отклонение указателя зависит от крутящего момента, действующего на него. Величина развиваемого крутящего момента прямо пропорциональна измеряемому напряжению.

Цифровой вольтметр

Вольтметр, который отображает показания в числовой форме, известен как цифровой вольтметр. Цифровой вольтметр дает достаточно точный результат.

Прибор, который измеряет постоянное напряжение, известен как вольтметр постоянного напряжения, а вольтметр переменного напряжения используется в цепи переменного тока для измерения переменного напряжения.

Источник

Что показывает вольтметр?

Для того чтобы понять смысл этого вопроса, давайте внимательно рассмот­рим график синусоидального напряжения на рис. 4.2. В каждый момент вре­мени величина напряжения в нем разная — соответственно, будет разной и величина тока через резистор нагрузки, на который мы подадим такое напряжение. В моменты времени, обозначенные 772 и Т (то есть кратные поло­вине периода нашего колебания) напряжение на нагрузке вообще будет рав­но нулю (ток через резистор не течет), а в промежутках между ними — меня­ется вплоть до некоей максимальной величины, равной амплитудному значению А. Точно так же будет меняться ток через нагрузку, а следователь­но, и выделяемая мощность (которая от направления тока не зависит — фи­зики скажут, что мощность есть величина скалярная, а не векторная). Но процесс выделения тепла крайне инерционен — даже такой маленький пред­мет, как волосок лампочки накаливания, за 1/100 секунды, которые проходят между пиками напряжения в промышленной сети частотой 50 Гц, не успевает заметно остыть. Поэтому нас чаще всего интересует именно средняя мощ­ность за большой промежуток времени. Чему она будет равна?

Чтобы точно ответить на этот вопрос, нужно брать интегралы: средняя мощ­ность за период есть интеграл по времени от квадрата функции напряжения. Здесь мы приведем только результат: величина средней мощности в цепи пе­ременного тока определяется т. н. действующим значением напряжения (Щ, которое для синусоидального колебания связано с амплитудным его значением (f/a) следующей формулой:. Точно такая же формула справедлива для тока. Когда говорят «пе­ременное напряжение 220 В», то всегда имеется в виду именно действующее значение. При этом амплитудное значение равно примерно 311В, что легко подсчитать, если умножить 220 на корень из двух. Это значение нужно всегда иметь в виду при выборе компонентов для работы в сетях переменного тока — если взять диод, рассчитанный на 250 В, то он легко может выйти из строя при работе в обычной сети, в которой мгновенное значение превышает 300 В, хотя действующее значение и равно 220 В. А вот для компонентов, использующих эффект нагревания (лампочек, резисторов и т. п.) при расчете допустимой мощности нужно иметь в виду именно действующее значение.

Называть действующее значение «средним» неверно, правильно называть его среднеквадратическим (по способу вычисления — через квадрат функции от времени). Но существует и понятия среднего значения, причем не одно, а даже два. Просто «среднее» (строго по смыслу названия) — сумма всех мгновенных значений за период. Так как нижняя часть синусоиды (под осью абсцисс) стро­го симметрична относительно верхней, то можно даже не брать интегралов, чтобы сообразить, что среднее значение синусоидального напряжения, пока­занного на рис. 4.2, в точности равно нулю — положительная часть компенси­рует отрицательную. Но такая величина малоинформативна, поэтому чаще ис­пользуют средневыпрямленное (среднеамплитудное) значение, при котором знаки не учитываются (то есть в интеграл подставляется абсолютная величина напряжения). Эта величина (U связана с амплитудным значением (U по формулето есть равно примерно 1,57-f/c-

Рис. 4.5. Графики некоторых колебаний несинусоидальной формы

Для постоянного напряжения и тока действующее, среднее и среднеампли-тудное значения совпадают и равны просто величине напряжения (тока). Од­нако на практике часто встречаются переменные колебания, форма которых отличается и от постоянной величины, и от строго синусоидальной. Осцил­лограммы некоторых из них показаны на рис. 4.5. Для таких сигналов приве­денные выше соотношения для действующего и среднего значений недейст­вительны! Самый простой случай изображен на рис. 4.5, в— колебание представляет собой синусоиду, но сдвинутую вверх на величину амплитуды. Такой сигнал можно представить, как сумму постоянного напряжения вели­чиной А (постоянная составляющая) и переменного синусоидального (пере­менная составляющая). Соответственно, среднее значение его будет равно А, а действующее A-^aHi. Для прямоугольного колебания (рис. 4.5, б) с равны­ми по длительности положительными и отрицательными полуволнами (сим-

метричного меандра ) соотношения очень просты: действующее значение = среднеамплитудному = амплитудному, как и для постоянного тока, а вот среднее значение равно, как и для синуса, нулю. В часто встречающемся на практике случае, когда минимум прямоугольного напряжения совпадает с нулем, то есть напряжение колеблется от нуля до напряжения питания (на рис. 4.5 не показано), такой меандр можно рассматривать аналогично случаю рис. 4.5, в, как сумму постоянного напряжения и прямоугольного. Для самого верхнего случая (рис. 4.5, а), который представляет собой синусоидальное напряжение, пропущенное через двухполупериодный выпрямитель (см. главу Р), действующее и среднеамплитудное значения будут равны соответствующим значениям для синусоиды, а вот среднее будет равно не нулю, а совпадать со среднеамплитудным. Для самого нижнего случая (рис. 4.5, г) указать все эти величины вообще непросто, так как они зависят от формы сигнала.

Но, даже выучив все это, вы все равно не сможете измерять величины напря­жений и токов несинусоидальной формы с помощью мультиметра! Не забы­вайте об этом, как и о том, что для каждого мультиметра есть предельные значения частоты колебаний — если вы включите мультиметр в цепь с ины­ми параметрами, он может показать все, что угодно — «погоду на Марсе», по распространенному выражению. Измерительные приборы для переменного напряжения проградуированы в значениях действующего напряжения, но измеряют они, как правило, среднеамплитудное (по крайней мере, большин­ство — на подробностях мы не будем сейчас задерживаться), и сообразить, как именно пересчитать показания, далеко не всегда просто. А для сложных сигналов, как на рис. 4.5, г, это выливается в сущую головоломку на уровне задач для студентов мехмата. Выручить может осциллограф и знание соот­ношений, приведенных ранее для сигналов самой распространенной формы, ну а для более сложных вычислять действующие и средние значения нам и не потребуется.

Заметки на полях

Единственный прибор, который правильно покажет значение действующего напряжения любой формы —- это аналоговый вольтметр электромагнитной системы (их легко узнать по неравномерной шкале, деления на которой к кон­цу отстоят все дальше и дальше друг от друга). Для того чтобы несинусои­дальное напряжение измерить цифровым прибором, между измеряемой вели­чиной и вольтметром можно вставить интегрирующий фильтр (фильтр нижних частот), описанный в главе 5.

Для прямоугольных напряжений, представляющих собой меандр, подобный рис. 4.5, б, существует еще одна важная характеристика. Никто ведь не за­прещает представить себе прямоугольное напряжение, в котором впадины короче или длиннее всплесков. В электронике меандр без дополнительных пояснений означает симметричную форму прямоугольного напряжения, при которой впадины строго равны всплескам по длительности, но, вообще гово­ря, это необязательно. На рис. 4.6 приведены два примера таких напряжений в сравнении с симметричным меандром. Характеристика соотношений меж­ду длительностями частей периода называется скважностью и определяется, как отношение длительности всего периода к длительности положительной части (именно так, а не наоборот, то есть величина скважности всегда боль­ше I). Для меандра скважность равна 2, для узких коротких импульсбв она будет больше 2, для широких — меньше.

Источник

Вольтметр: принцип действия, как подключить и пользоваться

Необходимость применения вольтметра возникает у большинства домовладельцев, автолюбителей, не говоря уже о радиолюбителях. Определить наличие напряжения в домашней сети при отсутствии света в доме, измерить вольтаж аккумуляторной батареи в случае её разряда, настроить собранную радиолюбителем конструкцию — во всех этих ситуациях без его использования не обойтись.

Типы и виды вольтметров

Все вольтметры можно разделить по: принципу действия, назначению, способу применения и конструкции.

По принципу действия устройства делятся на группы:

• Вольтметры электромеханические.
• Электронные вольтметры.

Рассмотрим конкретно каждую группу.

Электромеханические и электронные вольтметры

Эти измерительные приборы являются устройствами прямого преобразования. Измеряемая величина в них преобразуется напрямую в показания на шкале устройства отсчёта. Она предназначена для визуальной оценки измеряемого напряжения.

Шкала выглядит как последовательность отметок с числами и составляет неподвижную часть прибора. Расстояние между двумя соседними отметками — цена деления шкалы. Шкалы могут быть линейными и нелинейными, односторонними (отметка «0» расположена у начала) и двусторонними (отметка «0» расположена в середине). На шкале обычно наносится число, обозначающее класс точности прибора.

Подвижная часть устройства состоит из рамки, находящейся между полюсов постоянного магнита. По обмотке рамки протекает ток. С подвижной рамкой связана стрелка, по величине угла отклонения которой можно по шкале оценить значение измеряемого параметра. Этот угол напрямую зависит от тока, протекающего через обмотку рамки, а значит и от величины напряжения, которое измеряется.

Такие приборы используют для измерения магнитоэлектрический метод. Он наиболее часто используется в электромеханических приборах для измерения различных физических величин.

Следует отметить, что такие приборы отдельно используются довольно редко. Как правило, они являются составной частью более сложных по схемному исполнению устройств.

Кроме, магнитоэлектрического способа измерения в электромеханических приборах используют и другие: электромагнитный, электродинамический, ферродинамический, термоэлектрический, способ выпрямления.

Применение этих приборов исходя из требований, предъявляемых к измерителям напряжения, более предпочтительно, чем электромеханических. А требования эти таковы — уменьшение методической погрешности измерения.

Для измерения напряжений в различных точках схемы вольтметр подключают параллельно измеряемой цепи. Поэтому его использование не должно искажать реальную картину. Он не должен шунтировать участок схемы, следовательно, его входное сопротивление должно быть большим (в идеале стремиться к бесконечности).

Вольтметры электронные можно разделить на две группы. Одну составляют аналоговые приборы, другую цифровые. Различия между ними заключается в форме предоставления информации о результатах измерения.

Возможные аналоги

Входное напряжение, величину которого необходимо измерить, поступает на масштабирующее устройство. Оно выполнено в виде многопредельного резисторного делителя высокого класса точности. Количество резисторов соответствует количеству диапазонов измерения напряжения.

После резисторного делителя сигнал поступает на усилитель постоянного тока (УПТ). Его назначение — усилить входное напряжение, прошедшее через делитель, до величины, требуемой для нормальной работы устройства индикации. УПТ также необходим для повышения входного сопротивления прибора и согласования его с низкоомной обмоткой рамки указателя магнитоэлектрической системы.

Устройство электромеханического прибора, по которому в аналоговых вольтметрах производится отсчёт измеряемой величины напряжения, был рассмотрен выше.

Высокое входное сопротивление этого прибора определяется в основном схемой УПТ. В ней широко используется применение транзисторов, включённых по схеме эмиттерного повторителя сигнала, или полевых транзисторов.

Точность аналоговых вольтметров определяется классом точности резисторов входного устройства и классом точности головки микроамперметра, по стрелке которого производится отсчёт измеренного напряжения.

Для измерения напряжений малой величины применение в схеме прибора усилителя постоянного тока не всегда приводит к достаточной точности измерений.

В милливольтметрах измерения производятся на переменном токе. Постоянное входное напряжение преобразуется в переменное с помощью собственного модулятора. Усилитель переменного тока обладает лучшими характеристиками в отношении линейности, дрейфа нуля, коэффициента усиления, мало зависящего от температуры. После усиления переменное напряжение детектируется. Стабильное выпрямленное постоянное напряжение поступает на стрелочный электромеханический прибор.

Если вольтметром необходимо измерить переменное напряжение, то его схема изменится. Существуют две разновидности схем.

В одной из них входное напряжение детектируется и затем усиливается усилителем постоянного тока.

В схемах с другим построением усиливается сначала входное переменное напряжение усилителем переменного тока. После этого сигнал выпрямляется детектором.

В зависимости от требований, предъявляемых к результатам измерений, выбирается либо одно построение схемы, либо другое.

Первый вариант используется там, где необходимо произвести измерение в широком диапазоне частот (от 10Гц до 1000МГц).

Применение второго варианта построения имеет место при измерении очень малых переменных напряжений (единицы микровольт).

Цифровые вольтметры

Измерители этого вида в процессе обработки представляют входное напряжение в виде ступенек (дискретных значений). Его значение отображается на индикаторе прибора в цифровом виде.

Входное устройство (ВУ) производит определение масштаба входного сигнала, его фильтрацию от помех. При измерении переменного напряжения производится его выпрямление. Таким образом, схема ВУ содержит делитель напряжения, фильтр сетевых помех, усилитель сигнала.

Фильтр необходим для повышения точности измерений, потому что сигнал помехи может восприниматься в виде полезного сигнала и после её дискретизации на выходном индикаторе отобразятся цифры, не соответствующие измеряемой величине полезного входного сигнала.

В «продвинутых» моделях дополнительно имеются устройства, осуществляющие выбор полярности и пределов измерения автоматически.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет представление напряжения на входе прибора в виде интервала времени, длительность которого зависит от его величины. Этот интервал заполняется импульсами, которые вырабатывает собственный генератор вольтметра. Счётчик по командам устройства управления производит их подсчёт и на цифровом индикаторе прибора появляется цифровое значение величины, пропорциональное количеству импульсов.

Поскольку электронные компоненты ВУ имеют значительное входное сопротивление, цифровые вольтметры очень незначительно влияют на сопротивление участка цепи, на которой производится измерение. Точность их показаний намного выше, чем у всех предыдущих вольтметров.

Работать с прибором стало значительно проще. Нет необходимости производить дополнительный пересчёт полученного значения с учётом выбранной шкалы и установленного множителя (как у аналоговых вольтметров). Но требования, предъявляемые к качеству питающего напряжения очень высоки.

Основные характеристики приборов

Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше его влияние на измеряемую цепь. Поэтому приборы с более высоким входным сопротивлением обладают большей точностью при проведении измерений.

Для того чтобы оценить возможности прибора, его преимущества по сравнению с другими, сделать окончательный вывод о возможности его приобретения необходимо внимательно ознакомиться с его техническими параметрами, к которым относятся:

• внутреннее сопротивление вольтметра;
• диапазон измеряемых вольтметром напряжений;
• диапазон частот переменного напряжения;
• погрешность измерения прибора.

Диапазон необходимо учитывать исходя из того, с какими величинами напряжений придётся иметь дело. Большинство вольтметров позволяют проводить измерение напряжений от нескольких десятков милливольт до сотен вольт. Этот диапазон вполне приемлем для многих пользователей. Исключение составляют милливольтметры с расширенным диапазоном и киловольтметры.

Погрешность показывает возможное отклонение измеряемой величины от эталонной. Определяется на этапе заводских испытаний прибора. Выражается в процентах или долях процента.

Все эти параметры представлены в описании на конкретный прибор.

Самодельные устройства

Как сделать вольтметр своими руками, для чего он нужен, как устроен, как подключается вольтметр, как пользоваться вольтметром — вот неполный перечень вопросов, которые возникают у начинающих радиолюбителей и простых пользователей. Принцип действия вольтметра или принцип работы вольтметра был рассмотрен ранее при рассмотрении разных его типов и видов.

При совсем небольших затратах можно самостоятельно его изготовить. Основной его частью является стрелочный измерительный прибор. На шкале присутствует обозначение напряжения — латинская буква «V». Конечно, желательно иметь вольтметр с необходимым диапазоном измерения. В левой части шкалы должна быть отметка «О», а в правой — число, которое показывает предельное значение напряжения, измеряемого этим прибором.

Это значение определяется величиной добавочного резистора, находящегося в корпусе готового прибора и током полного отклонения стрелки микроамперметра.

Часто при работе приходится измерять значения напряжений в широком диапазоне. Для обеспечения допустимой точности приходится использовать одну общую шкалу с набором добавочных сопротивлений. Их количество зависит от величин напряжений, которые необходимо измерять при работе.

Использование добавочных сопротивлений дают возможность измерять напряжения, величины которых больше последнего числа шкалы. Для измерения напряжений меньшего значения с достаточной точностью необходимо найти прибор с числом максимального значения шкалы меньшей величины или переделать существующий путём изменения величины добавочного сопротивления в корпусе прибора.

Входное сопротивление стрелочного вольтметра оценивается показателем относительного (удельного) сопротивления. Единица его измерения — кОм/В. То есть для разных значений измеренного напряжения величина входного сопротивления прибора будет разной. Отсюда вывод — наибольшей точности измерения соответствует правая часть шкалы. Внутреннее сопротивление вольтметра здесь имеет большее значение и его подключение оказывает меньшее негативное воздействие на работу схемы. Необходимо выбирать прибор с большей величиной удельного сопротивления.

Если приходится измерять переменное напряжение, то при небольшом усложнении схемы самодельного прибора можно решить и эту задачу. Входное напряжение необходимо выпрямить, сделать его однополярным.

Ток для нормальной работы микроамперметра прибора должен протекать по обмотке рамки прибора только в одном направлении (клеммы прибора имеют маркировку «+» и «-«). Только в этом случае стрелка прибора отклонится. Выпрямление может быть однополупериодным или двухполупериодным. Это зависит от выбранной схемы выпрямителя. При определении реальной величины напряжения показания стрелочного прибора разделить примерно на 3 (выпрямление однополупериодное) или на 1,5 (выпрямление двухполупериодное).

Источник