Аналоговый вольтметр постоянного тока

Параметры и особенности стрелочных вольтметров

И хоть мы уже давно привыкли к цифровым вольтметрам, в природе всё ещё встречаются и стрелочные.

В некоторых случаях их применение может быть более удобным и практичным, чем использование современных цифровых.

Если в ваши руки попал стрелочный вольтметр, то желательно узнать его основные характеристики. Их легко определить по шкале и надписях на ней. В мои руки попал встраиваемый вольтметр М42300.

Внизу, под шкалой, как правило, есть несколько значков и указана модель прибора. Так, значок в виде подковы (или изогнутого магнита) означает, что это прибор магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой.

На следующем снимке можно разглядеть такую подковку.

Горизонтальная чёрточка указывает на то, что данный измерительный прибор рассчитан на работу с постоянным током (напряжением).

Тут же стоит уточнить, почему речь идёт о постоянном токе. Не секрет, что стрелочными бывают не только вольтметры, но и огромное количество других измерительных приборов, например, тот же аналоговый амперметр или омметр.

Действие любого стрелочного прибора основано на отклонении катушки в поле магнита при прохождении постоянного тока по этой самой катушке. Чтобы отобразить с помощью стрелки показания на шкале прибора, ток должен быть постоянным.

Если он будет переменным, то стрелка будет отклоняться вправо-влево с частотой переменного тока, который протекает через обмотку катушки. Чтобы измерить величину переменного тока или напряжения в измерительный прибор встраивают выпрямитель.

Именно поэтому, под шкалой прибора указывается тип тока, с которым он способен работать: постоянным или переменным.

Далее на шкале прибора можно обнаружить целое или дробное число, вроде 1,5; 1,0 и подобное. Это класс точности прибора, выраженный в процентах %. Понятно, чем меньше число, тем лучше – показания будут точнее.

Также можно увидеть такой знак – две пересекающиеся черты под прямым углом. Этот знак указывает на то, что рабочее положение прибора вертикальное.

При горизонтальном положении показания могут быть менее точные. Иными словами прибор может "врать". Стрелочный вольтметр с таким значком лучше устанавливать в прибор вертикально и исключить существенный наклон.

А вот такой знак говорит о том, что рабочее положение прибора — горизонтальное.

Ещё один интересный знак – пятиконечная звезда с цифрой внутри.

Данный знак предупреждает о том, что между корпусом прибора и его магнитоэлектрической системой напряжение не должно превышать 2кВ (2000 вольт). На это стоит обращать внимание при эксплуатации вольтметра в высоковольтных установках. Если вы планируете использовать его в блоке питания на 12 – 50 вольт, то беспокоиться не стоит.

Как считывать показания со шкалы стрелочного вольтметра?

Для тех, кто впервые видит шкалу прибора, возникает вполне резонный вопрос: "А как же считывать показания?" На первый взгляд ничего непонятно .

На самом деле всё просто. Чтобы определить минимальное деление шкалы нужно определить ближайшее число (цифру) на шкале. Как видим на шкале нашего М42300 – это 2.

Далее считаем количество промежутков между чёрточками до первого числа или цифры – в нашем случае до 2. Их оказывается 10. Далее делим 2 на 10, получаем 0,2. То есть, расстояние от одной маленькой чёрточки до соседней, равно — 0,2 вольта.

Вот мы и нашли минимальное деление шкалы. Таким образом, если стрелка прибора отклонится на 2 маленьких деления, то это будет означать, что напряжение равно 0,4V (2 * 0,2V = 0,4V).

В наличии уже знакомый нам встраиваемый вольтметр модели М42300. Прибор предназначен для измерения постоянного напряжения до 10 вольт. Шаг измерения — 0,2 вольта.

Прикручиваем к клеммам вольтметра два провода ( соблюдаем полярность!), и подключаем севшую батарейку на 1,5 вольта или любую попавшуюся.

Вот такие показания я увидел на шкале прибора. Как видим, напряжение батарейки равно 1 вольту (5 делений * 0,2V = 1V). Пока фотографировал, стрелка вольтметра упорно двигалась к началу шкалы — батарейка отдавала последние "соки".

Кроме этого мне стало интересно, какой ток потребляет сам стрелочный вольтметр. Поэтому вместо батарейки я подключил блок питания и выставил на выходе 10 вольт — чтобы стрелка прибора отклонилась на всю шкалу. Далее я подключил в разрыв цепи цифровой мультиметр и измерил ток.

Оказалось, ток, потребляемый стрелочным вольтметром, составил всего 1 миллиампер (1 мА). Его достаточно, чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу. Это очень мало. Поясню свой намёк.

Получается, что стрелочный вольтметр экономичнее цифрового. Посудите сами, любой цифровой измерительный прибор имеет дисплей (ЖК или светодиодный), контроллер, а также буферные элементы для управления дисплеем. И это только часть его схемы. Всё это потребляет ток, садит батарею или аккумулятор. И если в случае вольтметра с жидкокристаллическим дисплеем потребляемый ток невелик, то при наличии активного светодиодного индикатора, потребляемый ток будет уже существенный.

Вот и получается, что для портативных приборов с автономным питанием иногда разумнее использовать классический стрелочный вольтметр.

При подключении вольтметра к цепи следует помнить о нескольких простых правилах.

Во-первых, вольтметр (любой, хоть цифровой, хоть стрелочный) необходимо подключать параллельно той цепи или элементу, напряжение на котором планируется измерять или контролировать.

Во-вторых, следует учитывать рабочий диапазон измерений. Узнать его легко – достаточно взглянуть на шкалу и определить последнее число на шкале. Это и будет граничное напряжение для измерения данным вольтметром. Естественно, есть и универсальные вольтметры, с выбором предела измерения, но сейчас речь идёт о встраиваемом стрелочном вольтметре с одним пределом измерения.

Если подключить вольтметр, например, со шкалой измерения до 100 вольт, в цепь, где напряжение превышает эти 100 вольт, то стрелка прибора будет уходить за пределы шкалы, "зашкаливать". Такое положение дел рано или поздно приведёт к порче магнитоэлектрической системы.

В-третьих, при подключении стоит соблюдать полярность, если вольтметр рассчитан на измерение постоянного напряжения. Как правило, на клеммах (или хотя бы у одной) указывается полярность – плюс "+" или минус "-" . При подключении вольтметров, рассчитанных на измерение переменного напряжения, полярность подключения не имеет значения.

Надеюсь, теперь вам будет проще определить основные характеристики стрелочного вольтметра, а самое главное, применить его в своих самоделках, например, встроив его в блок питания с регулируемым выходным напряжением . А если сделать светодиодную подсветку его шкалы, то он будет выглядеть вообще шикарно! Согласитесь, такой стрелочный вольтметр будет смотреться стильно и эффектно.

В этом посте вы узнаете, что такое вольтметр, его принцип работы, чувствительность к напряжению, различные типы вольтметров и их применение.

С момента своего изобретения вольтметр всегда был основой измерений силовых цепей. Чтобы убедиться, что ваша схема была спроектирована и собрана правильно, вам понадобятся измерительные приборы на основе измерителя напряжения для ее проверки.

Что такое вольтметр

Вольтметр — это измерительный прибор, который измеряет напряжение между двумя узлами в электрической цепи. В аналоговых вольтметрах указатель перемещается по шкале пропорционально напряжению цепи. Цифровые вольтметры имеют цифровое отображение напряжения с использованием аналого-цифрового преобразователя.

Постоянно установленные вольтметры используются для контроля генераторов или других стационарных устройств. Портативные приборы оснащены мультиметром для измерения тока и сопротивления. Это стандартные измерительные приборы, используемые в электротехнике и электронике. Купить вольтметр можно на Алиэкспресс:

Принцип работы вольтметра

Его работа основана на принципе закона Ома. Закон Ома гласит: «Напряжение на сопротивлении прямо пропорционально току, проходящему через него». Любой базовый счетчик имеет разность потенциалов на своих клеммах, когда через него протекает полномасштабный ток. Символом для обозначения вольтметра является круг с вложенной буквой V.

Вольтметр всегда подключается параллельно к нагрузке в цепи, для которой должно измеряться напряжение. Вольтметр постоянного тока имеет знаки полярности. Поэтому необходимо подключить клемму плюса (+) вольтметра к верхней точке потенциала, а клемму минуса (-) к нижней точке потенциала, чтобы получить отклонение вольтметра.

В вольтметре переменного тока нет знаков полярности, и его можно подключить в любом случае. Однако в этом случае также вольтметр все еще подключен параллельно к нагрузке, для которого измеряется напряжение. Вольтметр с диапазоном высокого напряжения создается путем последовательного соединения сопротивления с измерительным механизмом, который имеет полную шкалу напряжения, как показано на рисунке ниже.

Рис. 3 — Полная шкала напряжения

Типы вольтметров

Аналоговые вольтметры

Включает отклоняющий тип индикаторных измерителей напряжения. Аналоговый вольтметр можно разделить на три категории.

• Инструменты с подвижной катушкой
• Движущиеся железно
• Электростатический вольтметр

Инструменты с подвижной катушкой

Тип измерительных приборов с подвижной катушкой Аналоговые вольтметры доступны в двух типах. Они есть:

• Инструменты с подвижной катушкой с постоянным магнитом
• Инструменты с подвижной катушкой

Инструменты с подвижной катушкой с постоянным магнитом

Инструменты с постоянными магнитами с подвижной катушкой реагируют только на постоянный ток. Эти инструменты имеют постоянный магнит для создания магнитного поля. Катушка намотана на кусок мягкого железа и вращается вокруг собственной вертикальной оси. Когда ток течет через катушку, отклоняющий крутящий момент генерируется в соответствии с уравнением силы Лоренца.

Приборы с подвижной катушкой типа «Динамо» состоят из двух катушек. Одна катушка зафиксирована, а другая катушка вращается вокруг нее. Взаимодействие двух полей создает отклоняющий момент.

Инструменты с подвижным железом

Инструменты с подвижным железом используются в цепях переменного тока и подразделяются на инструменты с простым подвижным железом, типом динамометра и индукционным. Он состоит из мягкого железа, содержащего подвижные и неподвижные катушки.

Взаимодействие потоков, создаваемых этими элементами, создает отклоняющий момент. Диапазоны расширены за счет удержания резисторов последовательно с катушкой.

Электростатический вольтметр

Он работает по электростатическому принципу, когда отталкивание между двумя зарядовыми пластинами отклоняется от указателя, прикрепленного к пружине.

Эти приборы используются для измерений переменного и постоянного тока высокого напряжения. Это высокочувствительные приборы, способные измерять минимальное напряжение заряда, а также напряжение высокого диапазона почти 200 кВ.

Вакуумный ламповый вольтметр

Эти типы инструментов могут работать как с переменным / постоянным напряжением, так и с измерениями сопротивления. Эти устройства используют электронный усилитель между входом и счетчиком.

Если это устройство использует вакуумную лампу в усилителе, то это называется вакуумным ламповым вольтметром (VTVM). VTVM используются в измерениях переменного тока высокой мощности.

Полевой транзистор (FET) — это транзистор, который использует электрическое поле для управления электрическим поведением устройства. Они также известны как униполярные транзисторы. Вольтметр на основе полевых транзисторов использует это свойство полевых транзисторов при измерении напряжения.

Цифровой вольтметр (DVM)

DVM отображает напряжение с помощью светодиодов или ЖК-дисплеев для отображения результата. Прибор должен содержать аналого-цифровой преобразователь. Устройство содержит запрограммированный микроконтроллер, АЦП и ЖК-дисплей для обеспечения точного цифрового отображения аналоговых значений от 0 до 15 вольт постоянного тока.

Они используются из-за таких свойств, как точность, долговечность и уменьшают ошибки параллакса.

Применения вольтметра

Приложения вольтметра включают в себя:

• Это очень полезно для определения напряжения устройства накопления заряда, например, для проверки напряжения батареи. Например, новая ячейка ААА будет иметь около 1,6 В. Свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор 12 В будет показывать 12,5 В при полной зарядке или 14 В при зарядке от генератора в автомобиле. Если он показывает 10 В, значит, с генератором что-то не так.
• Его можно использовать просто для того, чтобы узнать, есть ли в цепи питание или нет, например, в сетевой розетке.
• Убедитесь, что питание включено или выключено на приборах.
• Мы можем рассчитать ток путем измерения напряжения на известном сопротивлении. Это полезно, когда у вас нет амперметра.
• Они используются для построения проверки непрерывности с последовательным аккумулятором.
• Они используются для построения омметра с помощью делителя напряжения с неизвестным резистором.
• Они используются для построения амперметра путем измерения напряжения на шунтирующем резисторе.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Обобщенная структурная схема аналоговых электронных вольтметров (рис.7.9) содержит максимальное число блоков, некоторые из которых в зависимости от назначения вольтметра могут отсутствовать. В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. К достоинствам электронных вольтметров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), высокая чувствительность, хорошая перегрузочная способность.

1. Входное устройство предназначено для:

а) ослабления сигнала в заданное число раз, позволяющего расширить диапазон в сторону больших измеряемых напряжений;

б) обеспечения входных параметров вольтметра: входного сопротивления в пределах 1 – 10 МОм, входной емкости 1 — 30 пФ.

Усилители переменного тока служат для:

а) повышения чувствительности;

б) расширения динамического диапазона в сторону меньших измеряемых напряжений.

Для выполнения указанных задач усилители переменного тока должны иметь заданный и высокостабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и температур, малые нелинейные искажения, малые собственные шумы и быть нечувствительными к колебаниям напряжения питания, что достигается использованием многокаскадных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

3. Усилители постоянного тока служат для обеспечения согласования небольшого внутреннего сопротивления магнитоэлектрического измерительного механизма с большим сопротивлением нагрузки преобразователя. К усилителям постоянного тока предъявляются жесткие требования в отношении постоянства коэффициента усиления и малого дрейфа нуля, т. е. медленного изменения выходного сигнала при отсутствии на входе информационного сигнала. Они выполняются в виде мостовых схем с отрицательной обратной связью.

4. Преобразователи служат для преобразования переменного тока в постоянный, в качестве преобразователей служат детекторы. Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: квадратичные, линейные, амплитудные (пиковые). Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с квадратичными детекторами позволяют измерять напряжения любой формы; вольтметры с линейными детекторами пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.

Аналоговые электронные вольтметры могут строиться по двум основным схемам: усилитель – преобразователь и преобразователь – усилитель. Первая из схем обладает большой чувствительностью, но частотный диапазон у таких вольтметров определяется полосой пропускания усилителя переменного тока и составляет сотни килогерц; вторая схема используется в вольтметрах для измерения напряжения значительного уровня, т.к. обеспечить большое усиление с помощью усилителя постоянного тока сложно, зато частотный диапазон таких усилителей и, соответственно вольтметров, может составлять сотни мегагерц.

Электронные вольтметры могут иметь открытый или закрытый вход по отношению к постоянной составляющей измеряемого напряжения. При закрытом входе схема вольтметра содержит разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую сигнала, при открытом входе такого конденсатора нет и на блоки вольтметра поступает как переменная, так и постоянная составляющая сигнала.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного напряжения, определяется существующим на момент создания вольтметров уровнем техники (от полупроводников образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков остается неизменным.

Вольтметры переменного тока ( типа В3 )

Вольтметры переменного тока строятся по схеме усилитель-преобразователь. В качестве преобразователей могут использоваться квадратичные или линейные детекторы.

Если применяются квадратичные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами среднеквадратических значений, их структурная схема приведена на рис. 7.10.

Квадратичный детектор преобразует переменное напряжение в постоянное, пропорциональное, согласно формуле (7.5), квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения. Значит, измерение среднеквадратического напряжения связано с выполнением трех операций: возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировки шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного напряжения как правило производят с помощью полупроводникового диода, используя начальный участок вольт-амперной характеристики, описываемой квадратичной зависимостью. Однако протяженность квадратичного участка характеристики обычно невелика (не более 100 мВ), одним из методов для расширения этого участка является метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого в схему детектора включают несколько диодных ячеек и подбором напряжения смещения на диодах получают суммарную вольт-амперную характеристику, приближающуюся по форме к квадратичной кривой (рис. 7.11).

Если в вольтметрах переменного тока применяются линейные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами средневыпрямленных значений, структурная схема таких вольтметров приведена на рис. 7.12.

u

В таких вольтметрах в качестве преобразователя используется линейный детектор, преобразующий переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Такие преобразователи выполняются по схемам двухполупериодного выпрямления и используют линейный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Аналоговый вольтметр средневыпрямленных значений по сравнению с выпрямительным вольтметром имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи. Эти вольтметры откликаются на средневыпрямленное значение, градуируются в среднеквадратических значениях и имеют коэффициент градуировки С=1.

Импульсные вольтметры (типа В4)

Импульсные вольтметры строятся по схеме преобразователь — усилитель, в качестве преобразователя используется амплитудный детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. Структурная схема импульсного вольтметра приведена на рис. 7.13.

Отличительной особенностью амплитудного (пикового) детектора является наличие элемента памяти, которым служит конденсатор, «запоминающий» пиковое значение измеряемого напряжения.

Простейшие схемы амплитудных детекторов:

а) детектор с последовательным включением диода (детектор с открытым входом);

б) детектор с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорционально значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальные значения, градуируются в максимальных значениях и имеют С=1.

Универсальный вольтметр (типа В7)

Универсальный вольтметр позволяет измерять как постоянный, так и переменный ток. При измерении переменного напряжения вольтметр имеет схему преобразователь — усилитель. В качестве преобразователя используется амплитудный (пиковый) детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. При измерении постоянного напряжения оно через входное устройство подается на усилитель постоянного тока и обеспечивает отклонение стрелки магнитоэлектрического измерительного механизма. Структурная схема универсального вольтметра приведена на рис. 7.15.

Рисунок 7.15 4.12

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорциональный максимальному значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальное значение сигнала, градуируются в среднеквадратических значениях. Эти параметры переменного напряжения связаны между собой в соответствии с (7.7) коэффициентом амплитуды, поэтому коэффициент градуировки универсального вольтметра равен

С =

Характеристики рассмотренных вольтметров приведены в таблице 7.1.

Значение напряжения, на которое откликается

Значение напряжения, в котором отградуирован вольтметр, Uград