전압계 설계

앞서 언급했듯이 대부분의 미터 움직임은 민감한 장치입니다. 일부 D'Arsonval 무브먼트는 (내부) 와이어 저항이 1000Ω 미만인 50μA의 전체 편향 전류 정격을 갖습니다. 따라서 전체 등급이 50밀리볼트(50µA X 1000Ω)에 불과한 전압계가 됩니다! 그러한 민감한 움직임에서 실용적인(더 높은 전압) 스케일을 가진 전압계를 구축하려면 측정된 전압의 양을 움직임이 처리할 수 있는 수준으로 줄이는 방법을 찾아야 합니다.

D'Arsonval 이동 측정기

1mA의 전체 편향 등급과 500Ω의 코일 저항을 갖는 D'Arsonval 미터 무브먼트의 예제 문제를 시작하겠습니다.

옴의 법칙(E=IR)을 사용하여 이 미터기를 최대 규모로 직접 구동할 전압을 결정할 수 있습니다.

E =I R E =(1mA)(500Ω) E =0.5볼트

우리가 원하는 모든 것이 볼트의 1/2을 측정할 수 있는 미터였다면 여기에서 우리가 가지고 있는 베어 미터 운동으로 충분할 것입니다. 그러나 더 큰 수준의 전압을 측정하려면 더 많은 것이 필요합니다. 1/2볼트를 초과하는 효과적인 전압계 측정기 범위를 얻으려면 측정된 전압의 정확한 비율만 측정기 움직임에 걸쳐 떨어지도록 허용하는 회로를 설계해야 합니다.

이렇게 하면 미터 이동 범위가 더 높은 전압으로 확장됩니다. 이에 따라 이 비례 회로가 연결된 상태에서 새로운 측정 범위를 나타내기 위해 계량기 전면의 눈금에 레이블을 다시 지정해야 합니다.

그러나 필요한 비례 회로를 어떻게 만들 수 있습니까? 글쎄, 우리의 의도가 이 미터 움직임이 더 큰 전압을 측정하도록 하는 것이라면 지금보다 필요한 것은 전압 분배기입니다. 측정된 총 전압을 미터 무브먼트의 연결 지점에서 더 작은 부분으로 비례하도록 회로를 구성합니다. 전압 분배기 회로가 시리즈로 구성된다는 사실을 알고 있습니다. 저항, 미터 이동과 직렬로 저항을 연결합니다(분할기의 두 번째 저항으로 이동 자체 내부 저항 사용).

승수 저항기

직렬 저항은 증배하기 때문에 "승수" 저항이라고 합니다. 측정된 전압을 측정된 전압에 비례하여 분배할 때 미터 이동의 작동 범위입니다. 직렬 회로 분석에 익숙하다면 필요한 승수 저항 값을 결정하는 것은 쉬운 작업입니다.

예를 들어, 이 1mA, 500Ω 움직임이 10볼트의 인가 전압에서 정확히 풀 스케일로 읽히도록 하는 데 필요한 승수 값을 결정해 보겠습니다. 이렇게 하려면 먼저 두 시리즈 구성 요소에 대한 E/I/R 테이블을 설정해야 합니다.

1mA의 전류가 흐르면서 움직임이 풀스케일에 있을 것이라는 것과 10볼트의 인가된(총 직렬 회로) 전압에서 발생하기를 원한다는 것을 알고 있으면 다음과 같이 표를 채울 수 있습니다.

승수의 저항 값을 결정하는 몇 가지 방법이 있습니다. 한 가지 방법은 "총" 열(R=E/I)에서 옴의 법칙을 사용하여 총 회로 저항을 결정한 다음 승수 값에 도달하기 위해 이동의 500Ω을 빼는 것입니다.

동일한 저항 값을 계산하는 또 다른 방법은 전체 범위 편향(E=IR)에서 움직임에 대한 전압 강하를 결정한 다음 총계에서 해당 전압 강하를 빼서 승수 저항 양단의 전압에 도달하는 것입니다. 마지막으로 옴의 법칙을 다시 사용하여 승수에 대한 저항(R=E/I)을 결정할 수 있습니다.

어느 쪽이든 동일한 답(9.5kΩ)을 제공하며, 작업의 정확성을 확인하기 위해 한 방법을 다른 방법에 대한 검증으로 사용할 수 있습니다.

미터 테스트 리드(일부 배터리 또는 정밀 전원 공급 장치에서) 사이에 정확히 10볼트가 인가되면 "승수" 저항과 무브먼트 자체 내부 저항에 의해 제한되는 대로 미터 이동을 통해 정확히 1mA의 전류가 흐르게 됩니다. 무브먼트 와이어 코일의 저항을 가로질러 정확히 1/2볼트가 떨어지고 바늘이 전체 스케일에서 정확하게 가리키게 됩니다. 0 ~ 10V(0 ~ 1mA 대신)를 읽도록 눈금에 레이블을 다시 지정하면 눈금을 보는 사람은 누구든지 눈금 표시를 10볼트로 해석합니다.

미터 사용자는 움직임 자체가 실제로 외부 소스로부터의 10볼트의 일부만을 측정한다는 사실을 전혀 인식할 필요가 없다는 점에 유의하십시오. 사용자에게 중요한 것은 전체 회로가 전체 인가 전압을 정확하게 표시하는 기능을 한다는 것입니다.

이것이 실용적인 전기 계량기가 설계되고 사용되는 방법입니다. 민감한 계량기 동작은 최대 감도를 위해 가능한 한 적은 전압과 전류로 작동하도록 구축된 다음 정밀 저항기로 구축된 일종의 분배기 회로에 의해 "속여서" 훨씬 더 큰 전압이나 전류가 회로 전체에 가해질 때 전체 범위를 나타냅니다. 우리는 여기에서 간단한 전압계의 디자인을 조사했습니다. 전류계는 병렬 연결된 "분로" 저항이 전류 분배기를 생성하는 데 사용된다는 점을 제외하고는 동일한 일반 규칙을 따릅니다. 직렬 연결된 전압 분배기와 반대되는 회로 전압계 설계에 사용되는 "승수" 저항기

일반적으로 이와 같은 전기기계식 미터에 대해 여러 범위를 설정하여 단일 이동 메커니즘으로 광범위한 전압을 읽을 수 있도록 하는 것이 유용합니다. 이것은 다극 스위치와 특정 전압 범위에 맞는 크기의 여러 배율기 저항을 사용하여 수행됩니다.

5위치 스위치는 한 번에 하나의 저항에만 접촉합니다. 하단(완전히 시계 방향) 위치에서는 저항과 전혀 접촉하지 않아 "꺼짐" 설정을 제공합니다. 각 저항기는 전압계의 특정 전체 범위를 제공하도록 크기가 지정되며, 모두 미터 이동의 특정 정격(1mA, 500Ω)을 기반으로 합니다. 최종 결과는 4가지 전체 측정 범위가 있는 전압계입니다. 물론 이 작업을 센스 있게 하기 위해서는 미터 무브먼트의 눈금에 각 범위에 맞는 라벨이 부착되어 있어야 합니다.

이러한 측정기 설계에서 각 저항 값은 알려진 총 전압, 이동 전체 범위 편향 등급 및 이동 저항을 사용하여 동일한 기술로 결정됩니다. 범위가 1V, 10V, 100V 및 1000V인 전압계의 경우 승수 ​​저항은 다음과 같습니다.

이 범위에 사용되는 승수 저항 값과 그 값이 얼마나 이상한지 확인하십시오. 999.5kΩ 정밀 저항이 부품 상자에서 발견될 가능성은 거의 없으므로 전압계 설계자는 보다 일반적인 저항 값을 사용하는 위 디자인의 변형을 선택하는 경우가 많습니다.

각각의 연속적으로 더 높은 전압 범위에서 선택기 스위치에 의해 더 많은 승수 저항이 눌러져 직렬 저항이 필요한 총계에 추가됩니다. 예를 들어 범위 선택기 스위치가 1000볼트 위치로 설정되어 있는 경우 999.5kΩ의 총 승수 저항 값이 필요합니다. 이 미터 디자인을 사용하면 정확히 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

R_총계 =R4 + R3 + R2 + R1 R_총계 =900kΩ + 90kΩ + 9kΩ + 500Ω R_총계 =999.5kΩ

물론 이점은 개별 승수 저항 값이 첫 번째 디자인의 일부 홀수 값(999.5k, 99.5k, 9.5k)보다 더 일반적이라는 것입니다(900k, 90k, 9k). 그러나 미터 사용자의 관점에서 보면 기능상 눈에 띄는 차이는 없을 것입니다.

검토:

<울>

무브먼트 회로에 직렬 "증배기" 저항을 추가하여 정확한 전압 분배 비율을 제공함으로써 민감한 미터기 움직임을 위해 확장된 전압계 범위가 생성됩니다.

관련 워크시트:

<울>

전압계 설계 워크시트

전압계 워크시트