측정 회로에 대한 전압계 영향

모든 미터는 측정하는 회로에 어느 정도 영향을 미칩니다. 마치 타이어 공기압 게이지가 게이지를 작동하기 위해 약간의 공기가 배출될 때 측정된 타이어 공기압이 약간 변경되는 것과 같습니다. 어느 정도의 영향은 불가피하지만, 올바른 미터 설계를 통해 최소화할 수 있습니다.

전압 분배기 회로

전압계는 항상 테스트 중인 구성 요소와 병렬로 연결되기 때문에 전압계를 통과하는 모든 전류는 테스트되는 회로의 전체 전류에 기여하여 잠재적으로 측정되는 전압에 영향을 미칩니다. 완벽한 전압계는 저항이 무한하므로 테스트 중인 회로에서 전류를 끌어오지 않습니다. 그러나 완벽한 전압계는 교과서에만 있고 실생활에는 존재하지 않습니다! 실제 전압계가 측정하는 회로에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 극단적인 예로 다음 전압 분배기 회로를 사용하십시오.

회로에 전압계가 연결되어 있지 않으면 직렬 회로의 각 250MΩ 저항에 정확히 12볼트가 있어야 하며, 두 개의 동일한 값 저항은 총 전압(24볼트)을 정확히 반으로 나눕니다. 그러나 해당 전압계의 리드-리드 저항이 10MΩ(현대 디지털 전압계의 일반적인 양)인 경우 이 저항은 연결될 때 분배기의 더 낮은 저항과 병렬 하위 회로를 생성합니다.

이것은 250MΩ에서 9.615MΩ(250MΩ 및 10MΩ 병렬)로 더 낮은 저항을 효과적으로 감소시켜 회로의 전압 강하를 크게 변경합니다. 이제 아래쪽 저항은 이전보다 훨씬 적은 전압을 가지며 위쪽 저항은 훨씬 높아집니다.

측정된 전압 분배기

저항 값이 250MΩ 및 9.615MΩ인 전압 분배기는 24V를 각각 23.1111V 및 0.8889V 부분으로 나눕니다. 전압계는 9.615MΩ 저항의 일부이므로 0.8889V로 표시됩니다.

이제 전압계는 연결된 전압만 표시할 수 있습니다. 전에 낮은 250MΩ 저항에서 12볼트의 전위가 떨어졌다는 것을 "알 수 있는" 방법이 없습니다. 그것을 가로질러 연결되어 있었다. 전압계를 회로에 연결하는 행위 자체가 회로의 일부가 되고 전압계 자체 저항이 전압 분배기 회로의 저항 비율을 변경하여 결과적으로 측정되는 전압에 영향을 미칩니다.

전압계는 어떻게 작동합니까?

작동하는 데 너무 많은 양의 공기가 필요하여 연결된 모든 타이어를 수축시킬 수 있는 타이어 압력 게이지를 사용한다고 상상해 보십시오. 측정 작업에서 압력계가 소비하는 공기의 양은 바늘을 움직이기 위해 전압계가 움직이는 데 걸리는 전류와 유사합니다. 작동하는 데 필요한 공기압 게이지가 적을수록 테스트 중인 타이어에 공기압이 덜 ​​들어갑니다. 바늘을 작동시키기 위해 전압계가 소비하는 전류가 적을수록 테스트 중인 회로에 부담이 덜 가해집니다.

이 효과를 로딩이라고 합니다. , 전압계 사용의 모든 경우에 어느 정도 존재합니다. 여기에 표시된 시나리오는 전압계 저항이 분배기 저항의 저항보다 훨씬 낮은 최악의 경우입니다. 그러나 항상 어느 정도의 부하가 있기 때문에 미터가 연결되지 않은 상태에서 실제 전압보다 작게 표시됩니다. 분명히 전압계 저항이 높을수록 테스트 중인 회로의 부하가 적기 때문에 이상적인 전압계는 내부 저항이 무한합니다.

전자기계식 움직임이 있는 전압계에는 일반적으로 "볼트당 옴" 범위의 등급이 지정되어 움직임의 전류 소모로 인해 생성된 회로 영향의 양을 지정합니다. 이러한 미터는 다양한 측정 범위를 제공하기 위해 다양한 승수 저항 값에 의존하기 때문에 리드-리드 저항은 설정 범위에 따라 변경됩니다. 반면에 디지털 전압계는 범위 설정에 관계없이 테스트 리드에서 일정한 저항을 나타내는 경우가 많으며(항상 그런 것은 아님) 일반적으로 "볼트당 옴" 감도가 아닌 입력 저항의 옴으로 평가됩니다.

"볼트당 옴"은 범위 설정의 모든 볼트에 대해 리드-리드 저항이 몇 옴을 의미합니까? 선택 스위치에서. 마지막 섹션의 전압계 예를 예로 들어 보겠습니다.

1000볼트 규모에서 총 저항은 1MΩ(999.5kΩ + 500Ω)이며 범위 1000볼트당 1,000,000Ω 또는 볼트당 1000옴(1kΩ/V)을 제공합니다. 볼트당 옴 "감도" 등급은 이 측정기의 모든 범위에서 일정하게 유지됩니다.

예리한 관찰자는 모든 미터의 볼트당 옴 정격이 단일 요소에 의해 결정된다는 사실을 알아차릴 것입니다. 즉, 움직임의 전체 범위 전류(이 경우 1mA)입니다. "볼트당 옴"은 옴의 법칙에 의해 전류(I=E/R)로 정의되는 "옴당 볼트"의 수학적 역수입니다. 결과적으로 전면적인 현재 무브먼트의 Ω/볼트 감도는 설계자가 승수 저항을 통해 장비에 장착하는 범위에 관계없이 미터의 Ω/볼트 감도를 나타냅니다. 이 경우 미터기 무브먼트의 전체 정격 전류 1mA는 승수 저항으로 범위를 지정하는 방법에 관계없이 전압계 감도가 1000Ω/V입니다.

모든 회로에서 전압계의 부하를 최소화하기 위해 설계자는 이동의 전류 소모를 최소화해야 합니다. 이것은 최대 감도를 위해 무브먼트 자체를 재설계하여 달성할 수 있지만(전체 범위 편향에 필요한 더 적은 전류) 여기에서 절충안은 일반적으로 견고함입니다. 더 민감한 무브먼트는 더 취약한 경향이 있습니다.

또 다른 접근 방식은 무브먼트에 전송되는 전류를 전자적으로 부스트하여 테스트 중인 회로에서 매우 적은 양의 전류를 끌어오는 것입니다. 이 특수 전자 회로는 증폭기로 알려져 있습니다. , 그리고 이렇게 구성된 전압계는 증폭된 전압계입니다. .

증폭기의 내부 작동은 이 시점에서 논의하기에는 너무 복잡하지만 회로에서 측정된 전압이 제어할 수 있다고 말하는 것으로 충분합니다. 미터 무브먼트에 전송되는 배터리 전류의 양. 따라서 무브먼트에 필요한 전류는 테스트 중인 회로가 아니라 전압계 내부의 배터리에 의해 공급됩니다. 증폭기는 여전히 테스트 중인 회로를 어느 정도 로드하지만 일반적으로 미터 이동 자체보다 수백 또는 수천 배는 적습니다.

진공관 전압계(VTVM)

"전계 효과 트랜지스터"로 알려진 반도체가 출현하기 전에 진공관은 이러한 부스팅을 수행하는 증폭 장치로 사용되었습니다. 이러한 진공관 전압계 또는 (VTVM) 한때 전자 테스트 및 측정을 위한 매우 인기 있는 도구였습니다. 진공관이 노출된 아주 오래된 VTVM의 사진입니다!

이제 솔리드 스테이트 트랜지스터 증폭기 회로는 디지털 미터 설계에서 동일한 작업을 수행합니다. 측정된 신호 전류를 증폭하기 위해 증폭기를 사용하는 이 접근 방식은 잘 작동하지만 미터 설계를 크게 복잡하게 하여 초보 전자 학생이 내부 작동을 이해하는 것을 거의 불가능하게 만듭니다.

전압계 부하 문제에 대한 독창적이고 독창적인 솔루션은 전위차 또는 null-balance 기구. 고급(전자) 회로나 트랜지스터나 진공관과 같은 민감한 장치가 필요하지 않지만 더 많은 기술자의 참여와 기술이 필요합니다. 전위차 측정기에서 정밀 조정 가능한 전압 소스는 측정된 전압과 비교되며 널 감지기라고 하는 민감한 장치가 있습니다. 두 전압이 같을 때 표시하는 데 사용됩니다.

일부 회로 설계에서는 정밀 전위차계 조정 가능한 전압을 제공하는 데 사용되므로 전위차 레이블 . 전압이 같을 때 테스트 중인 회로에서 전류가 0이 되므로 측정된 전압은 영향을 받지 않아야 합니다. 이것이 우리의 마지막 예인 고저항 전압 분배기 회로에서 어떻게 작동하는지 쉽게 보여줍니다.

널 감지기

"널 감지기"는 매우 작은 전압의 존재를 나타낼 수 있는 민감한 장치입니다. 전기 기계식 미터 이동이 널 감지기로 사용되는 경우 양쪽 극성의 전압을 표시하는 데 유용하도록 어느 방향으로든 편향될 수 있는 스프링 중심 바늘이 있습니다. null 감지기의 목적은 0 조건을 정확하게 나타내는 것이므로 일반적인 전압계처럼 특정(0이 아닌) 양을 나타내기 보다는 사용된 기기의 규모는 관련이 없습니다. Null 감지기는 일반적으로 "null" 또는 "balance"(제로 전압) 조건을 보다 정확하게 나타내기 위해 최대한 민감하게 설계되었습니다.

매우 단순한 유형의 널 감지기는 오디오 헤드폰 세트로, 내부의 스피커는 일종의 미터 이동 역할을 합니다. DC 전압이 스피커에 처음 적용되면 이를 통과하는 전류로 인해 스피커 콘이 움직이고 "딸깍" 소리가 납니다. DC 소스가 분리되면 또 다른 "딸깍" 소리가 들립니다. 이 원칙에 기초하여 민감한 null 감지기는 헤드폰과 순간적인 접촉 스위치만으로 만들 수 있습니다.

이러한 목적으로 "8옴" 헤드폰 세트를 사용하는 경우 변압기라는 장치에 연결하여 감도를 크게 높일 수 있습니다. . 변압기는 전기 에너지 펄스의 전압 및 전류 수준을 "변환"하기 위해 전자기 원리를 이용합니다. 이 경우 사용되는 변압기 유형은 스텝다운입니다. 트랜스포머, 그리고 저전류 펄스(작은 전압 소스에 연결된 상태에서 푸시버튼 스위치를 닫고 열어 생성)를 더 높은 전류 펄스로 변환하여 헤드폰 내부의 스피커 콘을 보다 효율적으로 구동합니다.

임피던스 비율이 1000:8인 "오디오 출력" 트랜스포머가 이러한 목적에 이상적입니다. 또한 트랜스포머는 스위치가 열릴 때 헤드폰 스피커로 갑자기 방출되도록 자기장에 저전류 신호의 에너지를 축적하여 감지기 감도를 높입니다. 따라서 더 작은 신호를 감지하기 위해 더 큰 "클릭"을 생성합니다.

전위차계 회로에 널 검출기로 연결하면 스위치/변압기/헤드폰 배열이 다음과 같이 사용됩니다.

모든 null 감지기의 목적은 실험실 저울처럼 작동하여 두 전압이 같을 때(포인트 1과 2 사이에 전압이 없음) 그 이상을 나타내는 것입니다. 실험실 규모의 저울은 실제로 무게가 나가지 않습니다. 오히려 동등함을 나타냅니다. 미지의 질량과 표준(보정된) 질량 더미 사이.

마찬가지로, 널 감지기는 점 1과 2 사이의 전압이 같을 때를 표시합니다. 이는 (Kirchhoff의 전압 법칙에 따라) 조정 가능한 전압 소스(대각선 화살표가 있는 배터리 기호)가 정확히 전압이 같을 때입니다. R2에 걸쳐 하락합니다.

이 기기를 작동하기 위해 기술자는 null 감지기가 정확히 0을 표시할 때까지 정밀 전압 소스의 출력을 수동으로 조정합니다(오디오 헤드폰을 null 감지기로 사용하는 경우 기술자는 푸시버튼 스위치를 반복적으로 눌렀다 떼면서 무음이 표시될 때까지 청취합니다. 회로가 "균형"됨)을 확인한 다음 정밀 전압 소스에 연결된 전압계로 표시되는 소스 전압을 확인합니다. 이 표시는 하위 250MΩ 저항에 걸리는 전압을 나타냅니다.

정밀 소스를 직접 측정하는 데 사용되는 전압계는 매우 높은 Ω/V 감도를 가질 필요가 없습니다. 소스가 작동하는 데 필요한 모든 전류를 공급하기 때문입니다. 널 검출기 양단에 0 전압이 있는 한 포인트 1과 2 사이에는 0 전류가 존재하며, 이는 테스트 중인 분배기 회로의 부하가 없는 것과 같습니다.

이 방법이 제대로 실행되면 부하가 거의 0이 된다는 사실을 반복할 가치가 있습니다. 측정된 회로에. 이상적으로는 테스트된 회로에 절대 부하를 가하지 않지만 이 이상적인 목표를 달성하려면 null 감지기가 단에서 전압이 절대적으로 0이 되어야 합니다. , 무한히 민감한 널 미터와 조정 가능한 전압 소스의 완벽한 전압 균형이 필요합니다.

그러나 절대 제로 부하를 달성할 수 없음에도 불구하고 전위차 회로는 여전히 고저항 회로에서 전압을 측정하는 우수한 기술입니다. 그리고 첨단 기술로 문제를 해결하는 전자증폭기 솔루션과 달리 전위차법은 전기의 기본법칙(KVL)을 이용하여 가설적으로 완벽한 솔루션을 구현합니다.

검토:

<울>

이상적인 전압계는 저항이 무한합니다.

전압계의 내부 저항이 너무 낮으면 측정 중인 회로에 부정적인 영향을 미칩니다.

진공관 전압계(VTVM), 트랜지스터 전압계 및 전위차 회로는 모두 측정 회로에 가해지는 부하를 최소화하는 수단입니다. 이러한 방법 중에서 전위차계("null-balance") 기술은 0을 배치할 수 있는 유일한 방법입니다. 회로에 부하가 걸립니다.

널 감지기 작은 전압 또는 전류에 대한 최대 감도를 위해 제작된 장치입니다. 전위차계 전압계 회로에서 부재를 나타내는 데 사용됩니다. 조정 가능한 전압 소스와 측정되는 전압 사이의 균형 상태를 나타내는 두 지점 사이의 전압.

관련 워크시트:

<울>

기본 전압계 사용 워크시트