Измерение напряжений

Для измерения напряжения источника питания, падения напряжения на резисторе или каком-либо участке электрической цепи вольтметр подключают параллельно, как показано на рис. 7. Однако если в качестве вольтметра используется прибор магнитоэлектрической системы, то измерять им можно только очень малые напряжения. В самом деле, ведь для того, чтобы стрелка прибора отклонилась на всю шкалу, достаточно напряжения всего несколько десятых долей вольта. Для прибора с током полного отклонения 1И == 100 мкА и сопротивлением рамки RH=1000 Ом это напряжение

поэтому подключать такой прибор к участкам цепи с большим напряжением нельзя — можно испортить прибор. Для расширения пределов измерений последовательно с прибором включают добавочный резистор, гасящий избыточное напряжение, а чтобы прибором можно было измерять напряжения, различающиеся в десятки, сотни и тысячи раз, используют добавочные резисторы разных сопротивлений.

В качестве примера на рис. 8 приведена схема трехпредельного вольтметра постоянного тока. Вместе с добавочным резистором Rai микроамперметр РА образует измерительную цепь первого, с резистором Ra2 — второго, с резистором Rдз — третьего пределов. С одного предела на другой прибор переключают переключателем SA.

Сопротивление добавочного резистора каждого предела измерений рассчитывают по формуле

где Uп — напряжение выбранного предела измерений.

Предположим, вольтметр, выполненный по схеме, показанной на рис. 8, должен иметь пределы измерений 1, 5 и 10 В. Параметры мироамперметра РА те же: 1в=Ю0 мкА, RH= 1000 Ом. В этом случае:

Важнейший параметр вольтметра — его входное сопротивление. Оно слагается из сопротивления рамки измерительного прибора и сопротивления добавочного резистора данного предела измерений. Чем больше входное сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором надо измерить напряжение, тем точнее будут результаты измерения. Входное сопротивление только что рассчитанного вольтметра будет: на первом пределе («иП1») — 10 кОм, на втором («ипг») —50 кОм, на третьем («ипз») — 100 кОм. Из сравнения пределов измерений и входных сопротивлений вольтметра видно, что на каждый вольт напряжения любого предела измерений приходится одно и то же входное сопротивление 10 кОм. По этой причине вольтметры оценивают еще величиной относительного входного сопротивления, приходящегося на 1 В предельного напряжения. Относительное входное сопротивление вольтметра, рассчитанное здесь в качестве примера, равно 10 кОм/В. Нетрудно заметить, что относительное входное сопротивление вольтметра целиком зависит от параметров примененного микроамперметра. Чем меньше его ток полного отклонения стрелки, тем больше относительное входное сопротивление вольтметра, построенного на его основе, и наоборот.

Шкала вольтметра постоянного тока, как и шкала миллиамперметра или амперметра магнитоэлектрической системы, равномерная, поэтому для отсчета измеряемых постоянных токов и напряжений можно пользоваться одной общей шкалой.

Чтобы один и тот же микроамперметр можно было использовать для измерения как постоянного, так и переменного токов, в прибор вводят выпрямитель. Для примера на рис. 9, а приведена схема однопредельного вольтметра переменного тока с однополупериодным выпрямителем. Функции выпрямителя выполняет диод VD1. При положительной полуволне напряжения на левом (по схеме) входном зажиме «~UX» ток течет через добавочный резистор Ид, диод VD1 и микроамперметр РА. При изменении полярности измеряемого напряжения диод VD1 закрывается и ток идет через диод VD2, минуя микроамперметр. Таким образом, через микроамперметр течет ток, пульсирующий с частотой измеряемого переменного напряжения. Избыточное напряжение гасит добавочный резистор Ид.

Сколько пределов измерений, столько нужно и добавочных резисторов (рис. 9, б).

Шкалы вольтметра переменного тока не совпадают со шкалами постоянного тока. Объясняется это тем, что вольт-амперные характеристики диодов, используемых в выпрямителях, нелинейны, особенно при небольших напряжениях. Поэтому ток через магнитоэлектрический прибор не прямо пропорционален измеряемым переменным напряжениям.

Показания вольтметров, содержащих выпрямители, зависят и от частоты измеряемых токов. При токах низких звуковых частот стрелка магнитоэлектрического прибора заметно колеблется, так как через него течет пульсирующий ток, и в промежутках между импульсами она под действием возвратных пружин успевает повернуться на небольшой угол в направлении нулевого положения. При измерении токов более высокой частоты возникает шунтирование р-п переходов полупроводниковых диодов емкостями этих переходов, в результате чего выпрямленный ток и показания прибора уменьшаются. Это явление сказывается при измерении токов всех частот, и если говорить строго, то градуировка шкалы соответствует только значениям тока той частоты, на которой она была произведена.

Расчет сопротивлений добавочных резисторов вольтметров переменного тока отличается от расчета подобных резисторов прибора для измерения постоянных напряжений. Объясняется это тем, что параллельно измерительному прибору включены шунтирующие его диоды. Поэтому при расчете добавочных резисторов переменного тока исходным является не постоянный ток 1й микроампер-метра, а переменный ток, протекающий через добавочный резистор и зависящий от способа включения диодов выпрямителя, параметров диодов и ряда других причин. Для вольтметра, схема которого показана на рис. 9, а, переменный ток примерно в 2,2 раза превышает ток 1„, поэтому и сопротивления добавочных резисторов должны быть во столько же раз меньше, чем в вольтметре постоянного тока. Окончательно же их, как правило, подбирают опытным путем.