В чем измеряется напряжение тока: Электрическое напряжение: определение, виды, единицы измерения

В чем измеряется напряжение? Единица измерения электрического напряжения

Возможно, ли представить свою жизнь без электричества? Современный человек плотно окружил себя бытовыми приборами, помогающими в жизни. Мы уже не можем представить себя и свою жизнь без умных домашних помощников.

В технике все чаще переходят на использование электроэнергии. Даже транспорт постепенно переводится на электродвигатели, что позволяет уменьшить существенный вред, наносимый природе.

Сегодня мы попытаемся дать ответ на следующие вопросы:

• Что такое электрический ток?
• Что такое электрическое напряжение?
• Как определить напряжение?
• В чем измеряется напряжение?

Что такое ток?

На заре изучения электричества его получали трением одного тела о другое. Больший запас заряда можно было получить во время грозы, используя естественный разряд – молнию. Известно, что этот способ стоил жизни ученику М. В. Ломоносова — Рихтеру.

Сам заряд использовать сложно и нерационально. Необходимо получить его направленное движение – электрический ток. Свойства тока:

• нагревание проводника;
• химическое действие;
• механическое действие;
• магнитное действие.

Их используют в быту и технике. Необходимым условием существования тока считают наличие источника тока, свободных электрических зарядов и замкнутого проводника.

История вопроса

В 1792 году известный итальянский физик, физиолог и изобретатель Алессандро Вольта заинтересовался выводами соотечественника Луиджи Гальвани о природе импульсов тока в органах животных. Длительное наблюдение за поведением лапок лягушек, закрепленных на металлических крючках, позволило ему сделать вывод, что источником электричества является не живой организм, а контакт разнородных металлов. Именно это обстоятельство способствует протеканию электричества, а реакция нервных окончаний — только физиологическое действие тока.

Уникальное открытие привело к созданию первого в мире источника постоянного тока, получившего название «Вольтов столб». Разнородные металлы (Вольта утверждал, что они должны быть удалены друг от друга в ряду химических элементов) прокладываются бумагой, пропитанной жидким «проводником второго рода».

Этот прибор стал первым источником постоянного напряжения. Единица измерения электрического напряжения увековечила имя Алессандро Вольта.

Источник постоянного тока

Основной элемент электрической цепи – источник тока. Его назначение – создавать электрическое поле, под действием которого свободные заряженные частицы (электроны, ионы) приходят в направленное движение. Накапливаемые на отдельных элементах источника заряды (их называют полюсами) имеют различные знаки. Сам заряд перераспределяется внутри источника под действием сил неэлектрической природы (механических, химических, магнитных, тепловых и так далее). Электрическое поле, созданное полюсами вне источника тока, производит работу по передвижению заряда в замкнутом проводнике. О необходимости замкнутой цепи для создания постоянного тока говорил еще Алессандро Вольта.

Поскольку в источниках под действием сил неэлектрической природы происходит движение заряда, значит, можно утверждать, что эти силы совершают работу. Назовем их сторонними. Отношение работы сторонних сил по переносу заряда внутри источника тока к величине заряда называют электродвижущей силой.

Математическая запись этого соотношения:

где Е – электродвижущая сила (ЭДС), А_ст – работа сторонних сил, q – заряд, переносимый сторонними силами в источнике.

ЭДС характеризует способность источника создавать ток, но основной характеристикой источника иногда считают электрическое напряжение (разность потенциалов).

Напряжение

Отношение работы поля по передвижению заряда в проводнике к величине заряда получило название электрического напряжения.

Чтобы его определить, нужно величину работы поля разделить на величину заряда. Пусть A — работа, совершенная электрическим полем источника тока по перемещению заряда q. U — электрическое напряжение. Математическая запись соответствующей формулы:

Как любая физическая величина, напряжение имеет единицу измерения. В чем измеряется напряжение? По фамилии изобретателя первого в мире источника постоянного тока Алессандро Вольта этой величине дали собственную единицу измерения. В системе интернациональной напряжение измеряется в вольтах (В).

Напряжением в 1 В считается напряжение электрического поля, совершающего работу в 1 Дж по перемещению заряда в 1 Кл.

• В = Дж/Кл = Н•м/(А•с) = кг•м/(А•с³).

В основных единицах системы СИ единица измерения электрического напряжения:

Необходимая величина

Почему недостаточно, характеризуя ток, вводить понятие силы тока? Проведем мысленный эксперимент. Возьмем две различные лампы: обыкновенную бытовую лампу и лампу от карманного фонарика. При подключении их к разным источникам тока (городской сети и батарейке) можно получить абсолютно одинаковое значение силы тока. При этом бытовая лампа дает больше света, то есть работа тока в ней значительно больше.

Разные источники тока имеют различное напряжение. Поэтому эта величина крайне необходима.

Полезная аналогия

Понимание физического смысла электрического напряжения приходит, если вникнуть в интересную аналогию. В сообщающихся сосудах жидкость перетекает из трубки в трубку, если в них существует разность давлений. Ток жидкости прекращается в случае равенства давлений.

Если ток жидкости сопоставить с течением электрического заряда, то разность давлений столбов жидкости играет ту же роль, что и разность потенциалов в источнике тока.

Пока внутри источника тока происходят процессы, сопровождающие перераспределение заряда на полюсах, он способен создавать ток в проводнике. Напряжение электрического тока измеряется в вольтах, разность давлений имеет единицу измерения – паскаль.

Переменный ток

Электрический ток, периодически меняющий свое направление, называется переменным. Создается он источником переменного напряжения. Чаще всего это генератор. Попробуем пояснить: в чем измеряется напряжение переменного тока?

Сам принцип генерации тока основан на явлении электромагнитной индукции. Вращение замкнутого контура в магнитном поле приводит к появлению разности потенциалов в проводнике. Напряжение тока измеряется в вольтах и в случае меняющегося тока.

Можно ли утверждать, что напряжение не меняется? Очевидно, что вследствие изменения угла между плоскостью контура и нормалью к нему, создаваемое напряжение изменяется с течением времени. Его значение растет от нуля до некоторого максимального значения, затем падает вновь до нуля. Говорить об определенной величине не приходится. Вводят так называемое действующее значение напряжения:

Каким прибором измеряется напряжение?

Прибор для измерения электрического напряжения – вольтметр. Принцип его действия основан на взаимодействии контура с током и магнитного поля постоянного магнита. Известно, что контур с током вращается в магнитном поле. В зависимости от величины тока в контуре угол поворота меняется.

Если к контуру прикрепить стрелку, то она отклоняется от нулевого значения при протекании тока в контуре (чаще катушке). В зависимости от того, в чем измеряется напряжение, градуируют шкалу прибора. Возможно применение дольных и кратных величин.

В случае низких значений электрическое напряжение измеряется в милливольтах или микровольтах. Наоборот, в высоковольтных сетях используют кратные единицы.

Любой вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором проводится измерение напряжения. Основным свойством контура прибора можно назвать высокое омическое сопротивление. Вольтметр, независимо от того, в чем измеряется напряжение, не должен влиять на силу тока в цепи. По нему пропускается незначительный ток, существенно не влияющий на основное значение.

Таблица напряжений

Физический прибор	Напряжение на его контактах, В
Вольтов столб	1,1
Батарейка карманного фонаря	1,5
Щелочной аккумулятор	1,25
Кислотный аккумулятор	2
Городская сеть	220
Высоковольтные линии электропередачи	500 000
Между облаками в грозу	До 100 000 000

Практическое применение вольтметра

Для эффективного использования вольтметра стоит научиться им пользоваться. Любопытному экспериментатору можно посоветовать обратиться к школьным педагогам.

Школьные кабинеты физики снабжены лабораторными и демонстрационными приборами для измерения напряжений.

Эксплуатировать любой вольтметр стоит с осторожностью, соблюдая простые правила:

1. Вольтметр имеет максимальный предел измерения. Это наибольшее значение на его шкале. Не стоит подключать его в цепь, содержащую элемент большего напряжения.
2. Если нет другого источника или вольтметра, можно использовать систему дополнительных сопротивлений. При этом шкала вольтметра также должна быть изменена.
3. В цепь постоянного тока электроприборы подключаются в зависимости от указаний знака заряда на его клеммах. Положительная клемма источника тока обязательно подключается к положительному разъему вольтметра, отрицательная – к отрицательному. Если перепутать, то стрелки прибора могут погнуться, что крайне нежелательно.
4. Все подключения делают исключительно к обесточенной цепи.

Вредно для здоровья

Действие электрического тока может оказаться небезопасным для человека. Считается безвредным напряжение менее 24 В.

Действие тока под напряжением городской сети (220 В) достаточно ощутимо. Прикосновение к оголенным контактам сопровождается существенным «ударом тока».

Напряжение во время грозы пропускает столь высокий ток через тело человека, что грозит ему летальным исходом. Не стоит рисковать своей жизнью и здоровьем.

В чём измеряется напряжение и чем его измеряют

Напряжение — известная величина, используемая во всех световых и аккумуляторных источниках. Что оно собой представляет, какие разновидности существуют, чем измеряют напряжение, в каких единицах измеряется электрическое напряжение и многое другое далее.

Суть явления

Напряжением называется электрическая движущая сила, которая призвана толкать свободные виды электронов от одного атома к другому в определенном направлении. Обязательное требование для протекания зарядов это наличие цепи с замкнутым контуром, который создает условия, для того чтобы их передвигать. Если имеется обрыв электроцепи, то процесс направленного перемещения частиц прекращается.

Обратите внимание! Стоит отметить, что единица напряжения электрической цепи зависит от того, какой проводник имеет материал, как подключена нагрузка, какая есть температура.

Что это такое

Разновидности

Бывает двух видов: постоянным и переменным. Первое есть в электростатических видах цепей и тех, которые имеют постоянный ток. Переменный встречается там, где есть синусоидальная энергия. Важно, что синусоидальная энергия делится на действующее, мгновенное со средневыпрямленным. Единица измерения напряжения электрического тока вольт.

Стоит также отметить, что величина энергии между фазами называется линейной фазой, а показатель тока земли и фаз — фазным. Подобное правило используется во всех воздушных линиях. На территории Российской Федерации в электрической бытовой сети стандартное — 380 вольт, а фазное — 220 вольт.

Основные разновидности

Постоянное напряжение

Постоянным называется разность между электрическими потенциалами, при которой остается такой же величина с перепадами полярности на протяжении конкретного периода. Главным преимуществом постоянной энергии является тот факт, что отсутствует реактивная мощность. Это означает, что вся мощность, которая вырабатывается при помощи генератора, потребляется нагрузкой за исключением проводных потерь. Течет по всему проводниковому сечению.

Что касается недостатков, есть сложность повышения со снижением энергии, то есть в моменте преобразования ее из-за конструкции преобразователей и отсутствия мощных полупроводниковых ключей. К тому же сложно развязывается высокая и низкая энергия.

Обратите внимание! Используется постоянная энергия в электронных схемах, гальванических элементах, аккумуляторах, электролизных установках, сварочных инструментах, инверторных преобразователях и многих других приборах.

Постоянный ток

Переменное напряжение

Переменным называется ток, изменяющийся по величине и направлению периодически, но при этом сохраняющий свое направление в электроцепи неизменно. Нередко его называют синусоидальным. Одно направление, в котором движется энергия, называется положительным, а другое — отрицательным. Поэтому получающаяся величина называется положительной и отрицательной. Такой показатель является алгебраической величиной. В ответ на вопрос, как называется единица измерения напряжения, необходимо отметить, что это вольт. Значение его определяется по направлению. Максимальное значение — амплитуда. Бывает он:

ДвухфазныйТрехфазныйМногофазный

Используется активно в промышленности, на электрической станции, на трансформаторной подстанции и передается в каждый дом при помощи линий электрических передач. Больше всего используется три фазы для подключения. Подобная электрификация распространена на многих железных дорогах.

Обратите внимание! Стоит отметить, что имеются также некоторые виды двухсистемных электровозов, которые работают во многих случаях на переменном показателе.

Переменный ток

Единицы измерения

Измеряется напряженье в вольтах. Обозначается В или Вольт. Одно значение выражено в разности нескольких точек на электрическом поле. Значение 220 вольт говорит о том, что электрическое поле призвано тратить энергию, чтобы протаскивать заряды через всю электрическую цепь с нагрузкой.

Измерительные приборы

Чтобы измерить силу, используется стрелочный или аналоговый, цифровой или электронный вольтметр. Благодаря этим приборам можно измерять и контролировать характеристики сигналов. Также сделать измерения можно осциллографами. Они работают благодаря тому, что энергия отклоняется электронным лучом и поступает на прибор, выдающий показатель переменной величины.

Вольтметр как основной прибор измерения

Напряжение это физическая величина, показывающая размер тока в цепи и оборудовании в вольтах. Ток бывает постоянным и переменным. Отличие в том, что первое понятие обозначает, что ток постоянно меняет свою полярность и протекает в сети переменно. Во втором же случае ток проходит по электроцепи без перерывов. Измеряется вольтметром.

1.01. Напряжение и ток

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Напряжение, ток и сопротивление

Напряжение и ток — это количественные понятия, о которых следует помнить всегда, когда дело касается электронной схемы. Обычно они изменяются во времени, в противном случае работа схемы не представляет интереса.

Напряжение (условное обозначение: U, иногда Е). Напряжение между двумя точками — это энергия (или работа), которая затрачивается на перемещение единичного положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом (т. е. первая точка имеет более отрицательный потенциал по сравнению со второй). Иначе говоря, это энергия, которая высвобождается, когда единичный заряд «сползает» от высокого потенциала к низкому. Напряжение называют также разностью потенциалов или электродвижущей силой (э. д. с). Единицей измерения напряжения служит вольт. Обычно напряжение измеряют в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 10³ В), милливольтах (1 мВ = 10^-3 В) или микровольтах (1 мкВ = 10

-6 В) (см. раздел «Приставки для образования кратных и дольных единиц измерения», мелким шрифтом). Для того чтобы переместить заряд величиной 1 кулон между точками, имеющими разность потенциалов величиной 1 вольт, необходимо совершить работу в 1 джоуль. (Кулон служит единицей измерения электрического заряда и равен заряду приблизительно 6 — 10¹⁸ электронов.) Напряжение, измеряемое в нановольтах (1 нВ = 10^-9 В) или в мегавольтах (1 МВ = 10⁶ B) встречается редко; вы убедитесь в этом, прочитав всю книгу.

Ток (условное обозначение: I). Ток — это скорость перемещения электрического заряда в точке. Единицей измерения тока служит ампер. Обычно ток измеряют в амперах (А), миллиамперах (1 мА = 10^-3 А), микроамперах (1 мкА = 10^-6 А), наноамперах (1 нА = 10^-9 А) и иногда в пикоамперах (1 пкА = 10^-12 А). Ток величиной 1 ампер создаётся перемещением заряда величиной 1 кулон за время, равное 1 с. Условились считать, что ток в цепи протекает от точки с более положительным потенциалом к точке с более отрицательным потенциалом, хотя электрон перемещается в противоположном направлении.

Запомните: напряжение всегда измеряется между двумя точками схемы, ток всегда протекает через точку в схеме или через какой-либо элемент схемы.

Говорить «напряжение в резисторе» нельзя — это неграмотно. Однако часто говорят о напряжении в какой-либо точке схемы. При этом всегда подразумевают напряжение между этой точкой и «землёй», то есть такой точкой схемы, потенциал которой всем известен. Скоро вы привыкнете к такому способу измерения напряжения.

Напряжение создаётся путём воздействия на электрические заряды в таких устройствах, как батареи (электрохимические реакции), генераторы (взаимодействие магнитных сил), солнечные батареи (фотогальванический эффект энергии фотонов) и т. п. Ток мы получаем, прикладывая напряжение между точками схемы.

Здесь, пожалуй, может возникнуть вопрос: а что же такое напряжение и ток на самом деле, как они выглядят? Для того чтобы ответить на этот вопрос, лучше всего воспользоваться таким электронным прибором, как осциллограф. С его помощью можно наблюдать напряжение (а иногда и ток) как функцию, изменяющуюся во времени. Мы будем прибегать к показаниям осциллографов, а также вольтметров для характеристики сигналов. Для начала советуем посмотреть приложение А, в котором идёт речь об осциллографе, и раздел «Универсальные измерительные приборы», мелким шрифтом.

В реальных схемах мы соединяем элементы между собой с помощью проводов, металлических проводников, каждый из которых в каждой своей точке обладает одним и тем же напряжением (по отношению, скажем, к земле). В области высоких частот или низких полных сопротивлений это утверждение не совсем справедливо, и в своё время мы обсудим этот вопрос. Сейчас же примем это допущение на веру. Мы упомянули об этом для того, чтобы вы поняли, что реальная схема не обязательно должна выглядеть как её схематическое изображение, так как провода можно соединять по-разному.

Рис. 1.1 Закон Кирхгофа для напряжений

Запомните несколько простых правил, касающихся тока и напряжения:

1. Сумма токов, втекающих в точку, равна сумме токов, вытекающих из неё (сохранение заряда). Иногда это правило называют законом Кирхгофа для токов. Инженеры любят называть такую точку схемы узлом. Из этого правила вытекает следствие: в последовательной цепи (представляющей собой группу элементов, имеющих по два конца и соединённых этими концами один с другим) ток во всех точках одинаков.

2. При параллельном соединении элементов (рис. 1.1) напряжение на каждом из элементов одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжения между точками А и В, измеренная по любой ветви схемы, соединяющей эти точки, одинакова и равна напряжению между точками А и В. Иногда это правило формулируется так: сумма падений напряжения в любом замкнутом контуре схемы равна нулю. Это закон Кирхгофа для напряжений.

3. Мощность (работа, совершенная за единицу времени), потребляемая схемой, определяется следующим образом: P = U I. Вспомним, как мы определили напряжение и ток, и получим, что мощность равна: (работа/заряд) — (заряд/ед. времени). Если напряжение U измерено в вольтах, а ток I — в амперах, то мощность Р будет выражена в ваттах. Мощность величиной 1 ватт — это работа в 1 джоуль, совершенная за 1 с (1 Вт = 1 Дж/с).

Мощность рассеивается в виде тепла (как правило) или иногда затрачивается на механическую работу (моторы), переходит в энергию излучения (лампы, передатчики) или накапливается (батареи, конденсаторы). При разработке сложной системы одним из основных является вопрос определения её тепловой нагрузки (возьмём, например, вычислительную машину, в которой побочным продуктом нескольких страниц результатов решения задачи становятся многие киловатты электрической энергии, рассеиваемой в пространство в виде тепла).

В дальнейшем при изучении периодически изменяющихся токов и напряжений мы обобщим простое выражение P = UI. В таком виде оно справедливо для определения мгновенного значения мощности.

Кстати, запомните, что не нужно называть ток силой тока — это неграмотно. Нельзя также называть резистор сопротивлением. О резисторах речь пойдёт в следующем разделе.

Сигналы

Что такое Вольт. Определение Вольта. Формула Вольта

Вольт (обозначение: В, V) — единица измерения электрического напряжения в системе СИ.

1 Вольт равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой 1 ампер при мощности 1 ватт.

Вольт (В, V) может быть определён либо как электрическое напряжение на концах проводника, необходимое для выделения в нём тепла мощностью в один ватт (Вт, W) при силе протекающего через этот проводник постоянного тока в один ампер (A), либо как разность потенциалов между двумя точками электростатического поля, при прохождении которой над зарядом величиной 1 кулон (Кл, C) совершается работа величиной 1 джоуль (Дж, J). Выраженный через основные единицы системы СИ, один вольт равен м² · кг · с⁻³ · A⁻¹.{3} \cdot \mbox{A}} \]

Единица названа в честь итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта.

Этим методом величина вольта однозначно связывается с эталоном частоты, задаваемым цезиевыми часами: при облучении матрицы, состоящей из нескольких тысяч джозефсоновских переходов, микроволновым излучением на частотах от 10 до 80 ГГц, возникает вполне определённое электрическое напряжение, с помощью которого калибруются вольтметры. Эксперименты показали, что этот метод нечувствителен к конкретной реализации установки и не требует введения поправочных коэффициентов.

1 В = 1/300 ед. потенциала СГСЭ.

Что такое Вольт. Определение

Вольт определён как разница потенциалов на концах проводника, рассеивающего мощность в один ватт при силе тока через этот проводник в один ампер.

Отсюда, базируясь на единицах СИ, получим м² · кг · с-3 · A-1, что эквивалентно джоулю энергии на кулон заряда, J/C.

Определение на основе эффекта Джозефсона

Напряжение электрического тока – это величина, характеризующая разность зарядов (потенциалов) между полюсами либо участками цепи, по которой идет ток.

С 1990 года вольт стандартизирован посредством измерения с использованием нестационарного эффекта Джозефсона, при котором используется в качестве привязки к эталону константа Джозефсона, зафиксированная 18-ой Генеральной конференцией по весам и измерениям как:

K{J-90} = 0,4835979 ГГц/мкВ.

Кратные и дольные единицы

Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.

В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц, названных по имени учёных, наименование единицы вольт пишется со строчной буквы, а её обозначение — с прописной. Такое написание обозначения сохраняется и в обозначениях производных единиц, образованных с использованием вольта. Например, обозначение единицы измерения напряжённости электрического поля «вольт на метр» записывается как В/м.

Шкала напряжений

• Разность потенциалов на мембране нейрона — 70 мВ.
• NiCd аккумулятор — 1.2 В.
• Щелочной элемент — 1.5 В.
• Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO₄) — 3.3 В.
• Батарейка «Крона» — 9 В.
• Автомобильный аккумулятор — 12 В (для тяжёлых грузовиков — 24 В).
• Напряжение бытовой сети — 220 В (среднеквадратичное).
• Напряжение в контактной сети трамвая, троллейбуса — 600 В.
• Электрифицированные железные дороги — 3 кВ (постоянный ток), 25 кВ (переменный ток).
• Магистральные ЛЭП — 110 кВ, 220 кВ.
• Максимальное напряжение на ЛЭП (Экибастуз-Кокчетав) — 1.15 МВ.
• Самое высокое постоянное напряжение, полученное в лаборатории на пеллетроне — 25 МВ.
• Молния — от 100 МВ и выше.

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!Больше интересного в телеграм @calcsbox

Измерение силы тока и напряжения. Измерение мощности.

Измерение силы тока и напряжения.
Амперметр Из свойств последовательного соединения: Подсоединяется последовательно к измеряемому участку. Чем меньше собственное сопротивление амперметра, тем меньшую погрешность он вносит.
Расширение пределов измерения амперметра. Из свойств параллельного соединения: для изменения пределов измерения в n раз параллельно подсоединяют резистор (шунт). I = nIa, где I — ток, который необходимо измерить, а Ia — максимальный ток, на который расчитан амперметр.
I = Ia + Iш  ;    Т.к. Ua = Uш  ,   то  IaRa = (I — Ia)Rш Следовательно:
Вольтметр.  Из свойств параллельного соединения: Подсоединяется параллельно к измеряемому участку. Чем больше собственное сопротивление вольтметра, тем меньшую погрешность он вносит.
Из свойств последовательного соединения: для изменения пределов измерения в nраз последовательно подсоединяют резистор (дополнительное сопротивление). U=nUv, где U — напряжение, которое необходимо измерить, Uv — максимальное напряжение, на которое рассчитан вольтметр.
U= Uv + Uд ;  Т.к.  Iv = Iд,   то:  Следовательно:
Измерение мощности.
1.     Косвенный метод измерения Использование амперметра  и известного сопротивления:	2.Прямой метод Измерение ваттметром (шкала проградуирована в ваттах)
Использование амперметра и вольтметра:

Электрическое напряжение. Измерение напряжения

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили об электрическом поле. Давайте вспомним, что эта особая форма материи, посредством которой взаимодействуют заряженные тела. Реальность существования электрического поля подтверждается его конкретным действием: оно действует на внесённый заряд с определённой силой.

Примером может служить электрический ток, то есть упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем. Следовательно, электрическое поле способно совершить работу, которую называют работой тока.

Рассматривая перемещение электрического заряда в поле другого заряда и совершаемую при этом работу, очень полезно прибегнуть к сравнению с перемещением тел в поле тяготения Земли. Действительно, при падении какого-либо тела, сила тяжести будет разгонять его, увеличивая кинетическую энергию, и, тем самым, совершая положительную работу. Подобно этому, электрическое поле, созданное, например, отрицательно заряженным шаром, будет действовать на помещённый в любую точку положительный заряд и также, совершая положительную работу, будет увеличивать его кинетическую энергию. В обоих случаях величина работы будет зависеть от положения начальной и конечной точек.

Для удобства расчёта работы в электрическом поле вводят особую величину — электрическое напряжение, или просто напряжение.

Напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле. Обозначается оно латинской буквой U.

Каждый из вас, конечно же, видел строгое предупреждение: «Внимание! Высокое напряжение! Опасно для жизни!». Возникают закономерные вопросы. Во-первых, почему используют слово «высокое»? А во-вторых (что самое главное), почему высокое напряжение опасно для жизни?

Для лучшего понимания этой величины познакомимся с международной единицей электрического напряжения. Она называется вольтом (В), в честь итальянского учёного А. Вольта, впервые создавшего источник электрического.

1 В — это напряжение между такими двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда в 1 Кл совершается работа 1 Дж.

В практике используются также кратные и дольные ему единицы:

Таким образом, напряжение — это характеристика работоспособности электрического поля на рассматриваемом участке. С точки же зрения математики можно говорить о прямой зависимости произведённой работы от напряжения.

А если будет перемещаться не единичный заряд в 1 Кл, а заряд, в два, три, пять раз больший? Во столько же раз будет больше и произведённая работа.

Значит, работа сил электрического поля может быть найдена как произведение значений перенесённого заряда и напряжения:

A = qU.

Вернёмся к аналогии поля тяготения и электрического поля. Напряжение в определённой мере можно сравнить с изменением высоты, с которой падает тело. Мы знаем, что чем выше находится тело, тем бо́льшую работу совершит сила тяжести. Поэтому неудивительно, что часто вместо того, чтобы говорить «маленькое напряжение», говорят «низкое напряжение», а вместо «большое напряжение» — «высокое напряжение».

Вы уже знакомы с прибором для измерения силы тока — амперметром, показания которого зависят от ежесекундно протекающего в цепи заряда. А для измерения напряжения служит другой прибор, называемый вольтметром.

Но каков принцип измерения напряжения, то есть что такое вольтметр? Ответ на этот вопрос вас, безусловно, удивит: напряжение можно измерять прибором, конструкция, а значит, и внешний вид которого абсолютно не отличается от конструкции амперметра. Разберёмся в этой непростой ситуации внимательно. Пусть есть простейшая электрическая цепь из источника тока, нагрузки (лампочки) и ключа.

Для измерения силы тока мы должны разорвать цепь в какой-либо точке и включить туда прибор, через который потечёт весь ток цепи. Такой прибор — это уже известный нам амперметр. А теперь возьмём ещё один электроизмерительный прибор и подключим его, не разрывая цепи, к выводам нагрузки. Такое подключение прибора называют параллельным подключением.

А покажет ли что-нибудь этот прибор? Конечно же, да. Ведь если мы на некотором участке параллельно руслу реки пророем достаточной глубины канал, то часть воды пойдёт и по прорытому каналу. Так и в нашей цепи ток пройдёт через подключённый нами прибор. Этот прибор и называют вольтметром. На электрических схемах он обозначается кружочком, в центре которого расположена буква V:

Так же, как и у амперметра, у одного зажима вольтметра стоит знак «плюс», а у другого — «минус». Поэтому нужно обязательно следить за правильным включением вольтметра в электрическую цепь.

Пример решения задачи.

Задача. В электроприборе при напряжении 220 В за 1 мин перемещается заряд 160 Кл. Каково значение мощности электроприбора?

Основы измерений, как выполнять измерения в радиоэлектронике

Основы измерений для начинающих радиолюбителей и тех кто начал заниматься радиоэлектроникой, что такое точность измерений, измерение постоянного напряжения и другие полезные знания. При ремонте или налаживании электронной техники невозможно обойтись без измерений силы тока, напряжения, сопротивления, а так же других электрических величин, от которых зависит работа схемы.

Вступление

Наиболее часто приходится измерять постоянные и переменные напряжения и токи, сопротивления. Для этих целей выпускаются различные комбинированные измерительные приборы. Самый популярный из них, — цифровой мультиметр (типа М-838 или аналогичный).

Недорогой прибор, позволяющий измерять постоянное и переменное напряжение, постоянный ток, сопротивление, а так же проверять диоды и маломощные транзисторы.

У некоторых моделей есть «прозвонка» (пищит, когда щупы замкнуты), а более дорогие могут еще измерять емкости конденсаторов, частоту электрических колебаний и быть источником импульсов (генератором), частотой около 1 кГц.

Мало владеть прибором, необходимо еще и уметь им пользоваться, да так, чтобы не повредить прибор или «объект измерения».

Точность измерения

Измерить электрическую величину, и вообще любую величину, с абсолютной точностью невозможно.

Всегда существует погрешность, зависящая как от самого измерительного прибора, так и от человека, проводящего измерение. Например, точность измерения сильно зависит от правильности выбора предела измерения. Допустим, в какой-то цепи есть напряжение 2,9875V.

Если вы пользуетесь мультиметром, чтобы получить наиболее точный результат измерения, нужно, в данном случае, выбрать предел «20V». На этом пределе мультиметр покажет «2,98V». Если же вы выберете предел «200V», прибор покажет «2,9V».

Измерительные приборы делятся на семь классов точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (кроме особых случаев, когда требуются сверхточные измерения).

Эти числа показывают какую погрешность допускает прибор, в процентах от выбранного предела измерения. Недорогие приборы, типа мультиметра М-838, обычно, не дают погрешность меньше класса 1,0.

Таким образом, если ваш мультиметр соответствует классу точности 1,0, то на пределе «20V» он может ошибаться не более чем на 0,2V (20/100 * 1,0=0,2).

Кроме класса точности прибора и правильности выбора предела измерения, на результат измерения оказывает влияние и такой показатель, как внутреннее (или входное) сопротивление. Но об этом позже.

Измерение постоянного напряжения

При измерении напряжения, вольтметр или мультиметр, предварительно переключенный на измерение постоянного напряжения (DCV), подключают параллельно источнику напряжения, которое нужно измерить. Предположим, нужно измерить напряжение на резисторе R2 (рис. 1). Для этого мультиметр М мы подключаем параллельно резистору R2.

Полярность измеряемого постоянного напряжения мультиметр показывает относительно своего гнезда «СОМ». То есть, в схеме на рис. 1, щуп, идущий от гнезда «СОМ» подсоединен к минусу измеряемого напряжения, а второй щуп (V) — к плюсу. Таким образом, напряжение на щупе V относительно щупа СОМ положительное.

Рис. 1. Экспериментальная схема.

Если щупы поменять местами или перевернуть «батарейку» G1, напряжение на щупе V относительно щупа СОМ будет отрицательным, и на табло мультиметра перед числом-результатом измерения появится значок «-». Как видите, чтобы измерить напряжение нужно знать две точки, между которыми есть искомое напряжение.

Когда говорят, что нужно измерить напряжение на резисторе, конденсаторе или каком-то другом объекте, имеющим два вывода, все понятно, — один щуп подключаем к одному выводу, а второй -к другому. Но как быть, если требуется измерить напряжение в точке «А», или на коллекторе VТ1 (рис. 2)?

Здесь следует знать, что если нигде не говорится относительно чего нужно измерять напряжение в данной точке, его всегда измеряют относительно общего провода. Таким образом, щуп «СОМ» мультиметра подключаем к общему проводу схемы, а второй щуп — к точке, в которой требуется измерить напряжение, в данном случае к коллектору VT1 (рис. 2).

Рис. 2. Подключение вольтметра для измерения нпаряжения на коллекторе транзистора относительно общего.

Если же сказано, что напряжение на коллекторе VT1 нужно измерить относительно его эмиттера, то прибор нужно подключать, соответственно, между эмиттером и коллектором транзистора (рис. 3).

Рис. 3. Измерение напряжения на коллекторе транзистора относительно эмиттера.

Поэтому, прежде чем начинать измерять напряжения в схеме, нужно разобраться относительно чего это делать. И подключить «СОМ» мультиметра к тому самому месту, относительно которого нужно измерить напряжение.

Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением, которое в определенных случаях может оказывать очень существенное влияние на результат измерения.

Может быть даже так, что при подключении вольтметра с недостаточно большим внутренним (входным) сопротивлением схема вообще перестанет работать.

Чтобы понять, почему входное сопротивление вольтметра должно быть как можно больше, обратимся к рисунку 4. Предположим, есть делитель напряжения на двух одинаковых резисторах по 100 кОм каждый. Значит, напряжение на резисторе R2 (U2), согласно формуле: U1/U2=(R1+R2)/R2, будет равно половине напряжения источника питания G1 (U1), то есть 4,5V.

Рис. 4. Схема эксперимента с сопротивлением вольтметра.

А теперь посмотрим, что произойдет, если к R2 подключить вольтметр, у которого внутреннее (входное) сопротивление (RV) равно, допустим, 10 кОм. Внутренне сопротивление вольтметра RV окажется включенным параллельно резистору R2 (зашунтирует его).

В результате фактическое сопротивление R между минусом источника питания G1 и точкой соединения R1 и R2 упадет до величины, определяемой формулой: R=(R2*RV)/(R2+RV), и будет уже не 100 кОм, а всего около 9,09 кОм.

Теперь, согласно формуле U1/U2=(R1+R)/R, напряжение на R2, при подключенном к R2 вольтметре с внутренним сопротивлением 10кОм, будет около 0,749V.

И это напряжение покажет вольтметр, вместо положенных 4,5V! Если же внутреннее сопротивление вольтметра значительно больше R2, например, 1000 кОм (1 Мегаом), результат измерения будет ближе к реальному:

R= (100*1000)/(100+1000) = 90,9 кОм.

U2= 9 /((100+90,9)/90,9) = 4,286V.

Как видите, чем выше внутреннее (входное) сопротивление вольтметра по отношению к внутреннему сопротивлению источника (или элемента схемы) на котором нужно измерить напряжение, тем показания прибора будут достовернее.

В технической документации входное сопротивление вольтметров (или универсальных приборов при измерении напряжения) обычно указывается в Ом/В.

Это значит, что чтобы узнать фактическое входное сопротивление прибора на каком-то пределе измерения, нужно указанное сопротивление умножить на выбранный предел измерения.

Допустим, в паспорте мультиметра указано входное сопротивление равно 300 кОм/В. Это значит, если мультиметр переключить, например, на предел «20V», его входное сопротивление составит шесть мегаом (300кОм * 20В = 6000кОм).

Измерение переменного напряжения

Практически все выше сказанное об измерении постоянного напряжения остается в силе и при измерении переменного. Но есть и существенные отличия.

Например, точность измерения переменного напряжения сильно зависит от частоты переменного тока, напряжение которого измеряют.

Большинство мультиметров откалиброваны на переменное напряжение 50 Гц (или 60 Гц), поэтому, при измерении напряжения более высокой, например, звуковой частоты их показания могут значительно отличаться.

В паспортах некоторых мультиметров указывается погрешность при измерении на разных частотах, например, 50 Гц и 1000 Гц или 50 Гц, 1000 Гц и 10000 Гц.

Другая интересная деталь — одни приборы, в режиме измерения переменного напряжения, никак не реагируют на постоянное напряжение, а другие при наличии постоянного напряжения в измеряемой цепи показывают какие-то ошибочные числа.

Например, если мультиметр М-838, переключенный на измерение переменного напряжения (АСV) подключить к источнику постоянного напряжения, он покажет число, примерно в полтора раза больше постоянного напряжения этого источника. А вот более дорогой мультиметр, — DT9206 при измерении переменного напряжения на постоянное не реагирует никак (показывает нули).

Дело в том, что в одних приборах, таких как DT9206, есть разделительный конденсатор, который при измерении переменного напряжения включается на входе прибора и не пропускает постоянное напряжение на его схему. В М-838 такого конденсатора нет.

Это обязательно нужно знать, когда измеряете переменное напряжение в цепи, где есть постоянная составляющая. На рисунке 5 показана схема выходной части усилительного каскада. Обратите внимание, — на коллекторе транзистора присутствует постоянное напряжение 50V и переменное 20V.

Чтобы измерить переменное напряжение таким прибором, как М-838 (без разделительного конденсатора на входе), его нужно подключить через конденсатор (Сх). А вот прибор типа DT9206 можно подключать непосредственно, на его показания постоянная составляющая не влияет.

Рис. 5. Схема выходной части усилительного каскада.

Измерение силы тока

Чтобы измерить силу тока (или просто, — измерить ток) амперметр (или комбинированный прибор, измеряющий силу тока) включают в электрическую цепь последовательно (рис. 6). Иначе говоря, в разрыв цепи, так, чтобы через прибор протекал весь ток, силу которого нужно измерить.

На рис. 6 показано как включают прибор при измерении тока потребления усилительным каскадом, а на рисунке 7, — тока коллектора транзистора.

Рис. 6. Включение амперметра при измерении тока потребления усилительным каскадом.

На результат измерения силы тока оказывает влияние сопротивление измерительного прибора. Но это влияние обратно тому, что оказывает вольтметр на измеряемое напряжение. Амперметр включается цепь последовательно, и его сопротивление складывается с сопротивлением цепи.

Общее сопротивление цепи увеличивается, а сила тока уменьшается. Поэтому сопротивление прибора, измеряющего силу тока должно быть минимальным. Измеряя силу тока мультиметр переключают в положение «DCA».

При измерении слабых токов щупы прибора устанавливают в те же гнезда, что и при измерении напряжения. Для измерения силы тока более 200мА (0,2А), до 10А мультиметры имеют дополнительное гнездо с предохранителем.

Рис. 7. Измерение тока коллектора транзистора.

Серьезный недостаток непосредственного измерения силы тока в том, что для подключения прибора нужно сделать разрыв в цепи. Особенно это неудобно при измерении больших и очень больших токов.

Поэтому, для измерения больших токов используют приборы с так называемыми «токовыми клещами», которые представляют собой датчик тока, определяющий силу тока по магнитному полю, создаваемому током.

Внешне токовые клещи, действительно похожи на клещи или прищепку, которую надевают на проводник с измеряемым током. Еще одно достоинство токовых клещей в том, что измерительный прибор оказывается полностью изолированным от измеряемой цепи.

Измерение сопротивления

Для измерения сопротивления омметр (или мультиметр, в режиме измерения сопротивлений) пропускает через измеряемое сопротивление ток. Сопротивление определяется соответственно Закону Ома R = U / I. Если поддерживать постоянной величину напряжения, приложенного к цепи, сопротивление которой нужно измерить, то ток в цепи будет в обратной зависимости от сопротивления.

Именно поэтому шкалы стрелочных омметров максимальное сопротивление показывают при минимальном отклонении стрелки, а при минимальном сопротивлении стрелка максимально отклоняется. Цифровые приборы сопротивление определяют по напряжению на цепи, сопротивление которой нужно измерить, придерживая ток в цепи стабильным.

В этом случае, напряжение будет в прямой зависимости от измеряемого сопротивления, а показания прибора будут в прямой зависимости от измеряемого сопротивления. Как бы не была построена схема измерительного прибора, сопротивление он всегда измеряет сопротивление пропуская через объект измерения ток.

А это значит, что схема, в которой нужно измерить сопротивление должна быть полностью обесточена, выключена. Иначе, ток, имеющийся в схеме будет взаимодействовать с током, пропускаемым омметром через измеряемое сопротивление, и результат измерения будет ошибочным. Более того, ток, имеющийся в измеряемой цепи, может вывести прибор из строя.

Поэтому, всегда отключайте цепь от источника питания, перед тем как начнете измерять в ней сопротивление. И еще один важный момент, — измеряя сопротивление какой-то детали или части схемы, необходимо эту деталь отключить от схемы, чтобы на показания прибора не оказывали влияния другие детали схемы, обладающие собственными сопротивлениями.

Например, если вы захотите измерить сопротивление резистора, установленного на плате, необходимо хотя бы один из его выводов выпаять из платы. Иначе омметр покажет не сопротивление этого резистора, а результирующее сопротивление всей схемы имеющейся между точками подключения выводов этого резистора.

РК-07-17, 08-17.

Если напряжение измеряется между двумя точками на проводе без сопротивления между ними, является ли напряжение нулем?

Похоже, у вас совпадают напряжение и ток.

Напряжение правильнее называть электродвижущей силой. Сам по себе он не течет и не передает энергию.

Ток (обычно измеряется в амперах) — это мера того, сколько электрического заряда перемещается за единицу времени. Ток сам по себе не является потоком энергии.

Поток энергии называется мощностью.Чтобы получить питание, вам нужен как ток (\ $ I \ $), так и напряжение (\ $ E \ $). Мощность равна произведению двух:

.

$$ P = IE $$

Это помогает думать об этом с точки зрения аналогичных механических систем, поскольку мы можем наблюдать механические системы непосредственно нашими чувствами. Механические системы также имеют мощность, где она равна произведению силы и скорости:

$$ P = Fv $$

Если у вас есть сила, но нет скорости, у вас нет силы. Примером может служить резинка, натянутая между двумя неподвижными опорами.Ремешок оказывает давление на опоры. Это напряжение — потенциальная энергия. Но ничего не движется, и никакая энергия, хранящаяся в растянутой полосе, не передается ни на что другое.

Однако, если лента может двигать опоры, теперь у нас есть скорость. По мере того как полоса перемещает опоры, энергия, запасенная в растянутой ленте, будет преобразована в кинетическую энергию опор. Скорость, с которой происходит эта передача энергии, и есть мощность.

Напряжение — это сила, перемещающая электрический заряд.Ток — это скорость электрического заряда. Сопротивление — это то, насколько легко перемещать опоры.

Вот механическая система, более похожая на вашу схему:

У нас есть жесткое кольцо, прикрепленное к двигателю, которое прилагает некоторую силу, чтобы повернуть его. К кольцу также прикреплен тормоз, препятствующий повороту кольца. Чтобы эта аналогия была правильной, это должен быть тормоз, обеспечивающий силу, пропорциональную скорости кольца, движущегося через него.Представьте, что он соединен с вентилятором, так как кольцо вращается быстрее, вентилятор вращается быстрее, создавая большее аэродинамическое сопротивление.

Если двигатель прилагает силу \ $ 1 кН \ $, то тормоз должен прилагать одинаковую силу в противоположном направлении. Если тормозная сила не равна силе двигателя, тогда на кольцо будет действовать результирующая сила, которая будет ускорять или замедлять его до тех пор, пока тормозная сила не станет равной, и кольцо будет вращаться с постоянной скоростью. Таким образом, если сила двигателя постоянна, скорость кольца зависит от силы тормоза.Это аналог закона Ома.

Какие еще силы действуют на кольцо? Поскольку мы рассматриваем идеализированную систему без трения, их нет. Если бы вы вставили тензодатчики в точки A и B, вы бы измерили разницу между ними. B сжимается, когда двигатель толкает кольцо в тормоз, преодолевая его сопротивление, а A растягивается, когда двигатель всасывает его из тормоза.

Но в чем разница между B и C? здесь ничего нет. Если это интуитивно не очевидно, подумайте о том, что вы должны вырезать зазор в кольце и вставить руку, чтобы машина могла его разбить.Есть ли момент, когда вы бы предпочли это сделать? Нет, ваша рука будет разбита одинаково независимо от того, где вы это сделаете с левой стороны кольца.

Силы, измеряемые тензодатчиками, аналогичны напряжению. Мы можем измерять только напряжения относительно некоторого другого напряжения. Вот почему в вашем вольтметре два щупа. Куда бы вы ни положили черный провод, он обозначается как «0V». Итак, сценарий, который вы представляете в своем вопросе, похож на измерение разницы между B и C: она равна нулю.

Это кажется немного странным, потому что мы знаем, что на всей стороне кольца действует сжимающая сила.Похоже, это должно быть для чего-то полезно. Но учтите: вес всего газа в атмосфере Земли дает давление на уровне моря около 15 фунтов на квадратный дюйм. Означает ли это, что мы можем создать машину, которая приводится в действие только потому, что она подвергается этому давлению? Нет. Чтобы работать с этим атмосферным давлением, нам нужна разница в и давлений. Без разницы мы не можем заставить воздух двигаться. Рассмотрим еще раз определения власти, приведенные выше, и должно стать ясно, насколько это верно.

Измерение тока и напряжения — Электрические цепи — WJEC — GCSE Physics (Single Science) Revision — WJEC

Вам необходимо знать, как измерять ток, протекающий через компонент в цепи, и напряжение на нем.

Амперметр включен последовательно с лампой

Измерительный ток

Ток измеряется в амперах . Амперы часто сокращенно обозначают А или А . Ток, протекающий через компонент в цепи, измеряется с помощью амперметра.Амперметр можно разместить в любом месте цепи. Помните, что ток одинаков во всех частях последовательной цепи.

Амперметр должен быть подключен последовательно, с компонентом — помните, что в последовательной цепи электрические устройства помещаются одно за другим в непрерывную линию в цепи между положительным и отрицательным полюсами батареи.

Напряжение

Напряжение (или разность потенциалов) на электрическом компоненте, таком как лампа, необходимо для протекания через него тока.Элементы или батареи часто обеспечивают необходимое напряжение.

Измерение напряжения

Напряжение измеряется в В , часто сокращенно В .

Вольтметр включен параллельно лампе.

Напряжение на компоненте в цепи измеряется с помощью вольтметра.

Вольтметр должен быть подключен параллельно с компонентом.

(PDF) Измерение напряжения

1354 Общие меры

2 ОСНОВНАЯ ТЕОРИЯ

Измерение напряжения необходимо в электротехнике

, а также во многих других областях техники и

науки.Измерение напряжения включает определение

разности электрических потенциалов между двумя точками. Разность потенциалов

— это объем работы, необходимый для перемещения

единичного заряда, находящегося в электрическом поле, из опорной точки

в другую точку. Следовательно, разность потенциалов всегда равна

относительно некоторой контрольной точки, такой как Земля.

Разность потенциалов принимается как работа на единицу заряда

, а вольт соотносится с единицей работы (джоуль —

Дж) и единицей заряда (кулон — Кл) на

1 вольт = 1 джоуль

кулон (1)

Хотя концепция электрического потенциала полезна в

для понимания электрических явлений, стоит отметить, что

измерить можно только разницы в потенциальной энергии.

Таким образом, обычно понимается, что термин «напряжение»

относится к разности потенциалов. Единицей измерения для

напряжения является в Международной системе единиц (СИ)

вольт (обозначение: В).

Измерение напряжения имеет первостепенное значение, и

широко используется в электротехнике и электронике,

особенно в электроэнергетике. Более того, когда задействованы электронные устройства

для обработки сигналов, такие как

, используемые в телекоммуникационных системах, системах управления и

информатики, большинство сигналов имеют форму напряжения и

тока.Следовательно, измерение напряжения составляет

важную область в промышленных и научных измерениях,

и в разнообразном диапазоне датчиков химических, биологических,

и физических переменных.

3 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ

Поскольку наиболее распространенные сигналы имеют форму напряжения, существует

множества различных методов обработки сигналов, генерируемых определенной переменной. Однако некоторые приборы

, называемые вольтметрами, специально предназначены для измерения напряжения

лет.Есть пять распространенных типов вольтметров; это

1. электромеханические инструменты,

2. приборы теплового типа,

3. электронные приборы,

4. Электронно-лучевые осциллографы (CRO) или вакуумные трубки

инструментов (VTI),

5. виртуальные инструменты .

1. Электромеханические инструменты: Эти инструменты

основаны на механическом взаимодействии между различными токами

, между токами и магнитными полями или

между электрическими проводниками.Такие взаимодействия

создают механический крутящий момент, пропорциональный напряжению

или квадрату исследуемого напряжения.

Создаваемый крутящий момент затем уравновешивается ограничивающим крутящим моментом

, обычно получаемым за счет использования надлежащим образом расположенных механических пружин

. Действие балансировки вызывает смещение стрелки прибора

на угол

, пропорциональный крутящему моменту привода, и, следовательно, указывает на

напряжение, которое необходимо измерить.Таким образом, значение входного напряжения

определяется показанием смещения указателя

на градуированной шкале.

2. Приборы теплового типа. Эти приборы основаны на тепловом воздействии тока, протекающего в проводнике

. Показание пропорционально квадрату входного напряжения

. Эти приборы

не так широко используются, как другие, но подходят для измерения высокочастотного напряжения

.

3. Электронные приборы: Эти приборы основаны на

чисто электронных схемах и достигают требуемых

измерений путем обработки входного сигнала с помощью

электронных полупроводниковых устройств. Метод

, используемый для обработки входного сигнала, может быть аналоговым или цифровым

. В первом случае получается

аналоговых электронных приборов, а во втором —

цифровых электронных приборов.

4. Осциллографы или приборы с электронно-лучевой трубкой: Эти приборы ins-

в основном являются вольтметрами, и их основная характеристика

— обеспечение графического представления на электронно-лучевых трубках

(ЭЛТ) или жидкокристаллических дисплеях

.

(ЖК-дисплеи). Временные и амплитудные характеристики сигнала

могут быть определены непосредственно по отображаемому сигналу

.

5. Виртуальные приборы: это компьютерные системы

, которые можно запрограммировать для работы как вольтметры, амперметры

,

, осциллографы, анализаторы спектра и так далее.Они оснащены аналогово-цифровыми преобразователями

— см. Статью 139, Аналогово-

Цифровые (A / D) преобразователи

, Том 3 и Статью 141,

Цифро-аналоговые (D / A) Преобразователи, Том 3 и

поддерживаются такими программами, как

LabView от National Instruments — см.

, Статью 105, Моделирование с помощью LabVIEW®, Том 2

и Статью 106, Виртуальные приборы в физике,

Том 2.

Эти пять основных типов вольтметров могут использоваться для измерений низкого, среднего и высокого напряжения.

В некоторых случаях для подготовки

сигналов для измерения могут потребоваться подходящие устройства, такие как усиление, ослабление

и преобразования.

Кроме того, измерения напряжения, тока и сопротивления

могут быть выполнены с помощью одного прибора, называемого мультиметрами.

Измерения тока и напряжения в эталонной ВЧ-ячейке конференции по газовой электронике

2.1 Точность датчика

Характеристики тока и напряжения разряды в ячейке GEC измерялись с помощью цифровых осциллографов, оснащенных различными пробниками, включая самодельные емкостные пробники напряжения и индуктивные датчики тока d I / d t [1,3] и имеющиеся в продаже трансформаторы тока и ослабляющие пробники напряжения [1].Любой из этих пробников или сам осциллограф может быть важным источником систематических ошибок. Таким образом, необходимо детальное рассмотрение этих ошибок и тщательное выполнение процедур калибровки. Ошибки как по величине, так и по фазе могут быть значительными. Фазовые ошибки возникают в основном из-за задержек распространения в пробниках и в кабелях, соединяющих их с осциллографом. Фазовую ошибку пробника напряжения можно определить путем прямого измерения его задержки с использованием двух каналов осциллографа.Относительная задержка между датчиками тока и напряжения и результирующая ошибка фазы импеданса может быть определена путем присоединения датчиков к нагрузкам с известной фазой полного сопротивления. Это может быть достигнуто особенно удобно, используя паразитный импеданс самой ячейки в качестве нагрузки [1–3]. Если используются как индуктивные, так и емкостные нагрузки, можно отличить истинные задержки распространения от небольших погрешностей по фазе, которые возникают, если какая-либо нагрузка содержит неизвестное сопротивление [4].

Другой возможный источник фазовых ошибок — это перекрестные помехи между сигналами тока и напряжения.Перекрестные помехи могут возникать внутри осциллографа или в промышленных пробниках тока, которые неправильно заземлены [4]. Из-за емкостной связи между выводом питания и корпусом токового пробника паразитный сигнал, совпадающий по фазе с напряжением, может добавляться к токовому сигналу, сдвигая его фазу. Обнаружены фазовые ошибки такого рода величиной до 10 °. Ошибка сводится к минимуму за счет использования токовых пробников с более высоким коэффициентом усиления (больше вольт на ампер) и обеспечения хорошего соединения между корпусом токового пробника и землей осциллографа.Разумеется, большие ошибки также будут возникать, если токовый пробник установлен с неправильной полярностью или если его выход неправильно подключен.

Систематические ошибки при измерениях амплитуды также могут быть большими, особенно на высоких частотах, близких к границам полосы пропускания пробников или осциллографа. Полоса пропускания обычно определяется частотой 3 дБ. На этой частоте амплитуды ошибочны в несколько раз. √2¯. Даже на частотах, намного меньших этой, ограничения полосы пропускания ухудшают точность измерения; часто эффектами ограниченной ширины полосы можно пренебречь только на частоте на одну десятую ниже частоты 3 дБ.Многие пробники и осциллографы с полосой пропускания, достаточной для обеспечения превосходной точности на частоте 13,56 МГц, доступны и относительно недороги. К сожалению, получить точные измерения высокочастотных гармонических сигналов, генерируемых плазмой, труднее. Также, похоже, существует компромисс между полосой пропускания пробников и максимальным током или напряжением, которые они могут выдерживать. Эти проблемы могут быть решены путем калибровки амплитуд пробников по приборам с более широким диапазоном частот или путем создания емкостных пробников напряжения и индуктивных пробников тока d I / d t [1,3].Они имеют чрезвычайно широкую полосу пропускания и обладают дополнительным преимуществом в виде усиления слабых гармонических сигналов.

2.2 Паразитные характеристики ячейки

На радиочастотах ячейка GEC содержит значительные паразитные импедансы, включая паразитную емкость, самоиндукцию и паразитное последовательное сопротивление. Измеренные формы сигналов тока и напряжения включают вклад паразитных элементов, а также плазмы. Кроме того, точное значение паразитных параметров может быть весьма чувствительным к незначительным изменениям в конструкции электродов и небольшим сдвигам в положениях датчиков.Если значения паразитных факторов изменяются от ячейки к ячейке, измерения зонда будут отличаться, даже если условия плазмы идентичны. В этой ситуации требуются процедуры для преобразования форм сигналов тока и напряжения, измеренных датчиками, в формы сигналов, более характерные для самой плазмы: формы сигналов, представляющие ток и напряжение, присутствующие внутри ячейки, на поверхностях, контактирующих с плазмой. В этом разделе описываются процедуры, характеризующие и устраняющие паразитов. Следует отметить, что паразитные элементы также важны по другой причине: они вместе с остальной частью внешней схемы, питающей ячейку, устанавливают граничные условия для плазмы, и изменения этих граничных условий могут вызывать реальные изменения электрических характеристик плазмы. .Эта тема будет обсуждаться отдельно в следующем разделе.

Паразиты в ячейке GEC были охарактеризованы на частотах от 1 МГц до 100 МГц с использованием векторного измерителя импеданса [5] и в более узком частотном диапазоне с использованием датчиков тока и напряжения [4,6]. На основе этих исследований была получена модель эквивалентной схемы паразитных устройств, показанных на. Эта модель представляет ячейку в ее наиболее распространенном режиме работы: с одним электродом запитанным, а другой заземленным, и подключенной шунтирующей цепью [1,2,7].Клеммы в нижней части принципиальной схемы представляют собой точку на выводе электрода с питанием, в которой установлены датчики тока и напряжения. Ток и напряжение, измеренные датчиками, I _m ( t ) и V _m ( t ), как и I _pe ( t ), определены в и В, _pe ( t ), ток и напряжение на поверхности электрода с питанием. Эквивалентная принципиальная схема показывает все паразиты ячейки, включая электроды с питанием и заземление.(Паразиты в электрической сети перед датчиками не показаны.) Паразитная емкость C _pe в значительной степени связана с тонкой втулкой изолятора между питаемым электродом и его заземляющим экраном. Длинный провод, который питает питаемый электрод и окружающий его изолятор и экран заземления, действует как линия передачи, которая вносит большую часть индуктивности L _pe и сопротивления R _pe , а также часть емкости C. _pe и C _m . C _m также включает паразитную емкость датчиков тока и напряжения и их опор. Точно так же паразиты L _ge , C _ge и R _ge связаны с верхним заземленным электродом. Для верхнего электрода не показана емкость, аналогичная C _м , поскольку заземляющее соединение для этого электрода закорачивает любую такую ​​емкость. L _w представляет собой самоиндукцию полости между стенкой камеры и внешней поверхностью заземляющих экранов. L _s , C _s и R _s представляют собой шунтирующую цепь [1,2,7], которая состоит из катушки и конденсатора переменной емкости, подключенного между выводом питания и камерой. заземление, сразу после датчика тока. Шунт спроектирован так, что на основной частоте 13,56 МГц он имеет индуктивный импеданс, который нейтрализует чистое емкостное реактивное сопротивление остальной части ячейки, тем самым уменьшая общий ток, потребляемый ячейкой, улучшая точность измерений тока [ 4], а также устранение проблем, связанных с высокочастотными помехами, контурами заземления и перегрузкой токового пробника.

Эквивалентная принципиальная схема ячейки GEC. Слева показана блок-схема элемента, работающего с одним запитанным и заземленным электродом, с присоединенной шунтирующей цепью. Эквивалентная схема для этой конфигурации показана справа. Схема включает паразитные элементы в блоке заземляющего электрода ( C _ge , L _ge , R _ge ), в блоке электрода с питанием ( C _pe , L _pe , R _pe , C _м ), в стенках камеры ( L _w ) и в шунтирующем контуре ( L _s , C _s , R _с ).

Точные значения паразитных элементов, показанных в, варьируются от ячейки к ячейке. Значения емкости зависят от материала изолятора — оксида алюминия или тефлона ¹ . Тефлоновые изоляторы имеют меньшую емкость из-за меньшей диэлектрической проницаемости [1]. Для изоляторов из оксида алюминия существует две конструкции: исходная конструкция с твердым сердечником и обновленная, более простая в изготовлении версия с полым сердечником и несколько более низкими значениями емкости. Наконец, между ячейками проявляются некоторые случайные отклонения в C _pe и C _ge , поскольку эти емкости могут быть очень чувствительны к точным размерам изолятора и его выравниванию относительно электрода и заземляющего экрана.Самоиндукция L _pe также различается между ячейками, в зависимости от того, как далеко зонды установлены от электрода с питанием. C _м зависит от конкретных используемых датчиков, а параметры шунта меняются в зависимости от деталей его конструкции. Несмотря на эти вариации, считается, что модель схемы является достаточно общей для размещения любой ячейки GEC в стандартной конфигурации. Конечно, элементы, которые были радикально модифицированы для включения альтернативных источников, масс-спектрометров или верхнего оптического доступа, будут иметь очень разные эквивалентные схемы.

Из-за различий в паразитных параметрах от ячейки к ячейке электрические данные лучше всего выражаются в терминах I _pe ( t ) и V _pe ( t ), тока и напряжения при поверхность питаемого электрода, а не I _м ( t ) и V _m ( t ), ток и напряжение измеряются датчиками. Чтобы достичь этого, обычно предполагается эквивалентная схема для ячейки, выполняется ограниченный набор измерений с гашенной плазмой для определения значений паразитных факторов, а затем решаются уравнения цепи для получения I _pe ( t ) и V _pe ( т ).Наиболее часто используемая модель [1,2,7] включает четыре элемента ( C _pe , L _pe , C _s и L _s ), но не включает C _м , R _pe и R _s . Точные значения I _{pe 1} и V _{pe 1} , основные компоненты I _pe ( t ) и V _pe ( t ), могут быть получены из этой модели, если позаботиться о сопоставить модель с измеренными характеристиками и правильно ли учтена емкость зазора между электродами.(В противном случае, если емкость промежутка включена в C _pe , систематические ошибки в I _{pe 1} возможно до 15% [4]). Однако отсутствие резистивных паразитов, особенно R _s , может привести к большим систематическим ошибкам в θ , фазе между V _{pe 1} и I _{pe 1} , а в плазменной мощности P _pe = 1/2 I _{pe 1} V _{pe 1} cos θ .Действительно, простая четырехэлементная модель дает значения θ и P _pe , которые отличаются на 6 ° и 60% соответственно от значений, полученных с использованием общей обработки [4], которая включает резистивные паразиты. .

Процедуры, которые учитывают паразиты (и фазовые ошибки пробника), удобно выполнять в частотной области. Следовательно, первым шагом в анализе измеренных сигналов почти всегда является анализ Фурье, который чаще всего выполняется с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).Однако применение БПФ непосредственно к оцифрованным сигналам не дает точных желаемых коэффициентов Фурье, потому что в целом частота дискретизации и частота РЧ не соизмеримы. Вместо этого используется линейная интерполяция между точками измеренных данных для генерации сигнала с соответствующей временной разверткой и интервалом между точками. Применение БПФ к интерполированной форме сигнала затем дает коэффициенты Фурье на точных частотах основной гармоники и гармоник, свободных от эффектов наложения спектров.В качестве альтернативы, анализ Фурье может быть выполнен с использованием методов аппроксимации кривой [8] или путем явного вычисления интегралов Фурье [6]. Эти методы могут быть очень эффективными, более эффективными, чем БПФ, поскольку не тратится время на вычисление амплитуд компонентов, которые заведомо незначительны. Недавно методы анализа были расширены за счет включения переходных эффектов [9].

Как измерить напряжение с помощью осциллографа

Осциллографы помогают визуализировать электрический сигнал.По своей сути осциллографы отображают график зависимости напряжения от времени для одного или нескольких сигналов. Этот график зависимости напряжения от времени часто называют «формой волны». Эта форма сигнала отображается при подключении определенного сигнала на тестируемом устройстве (DUT) к осциллографу с помощью пробника. Наконечник пробника подключается к сигналу, а зажим заземления подключается к надежной точке заземления. Измерение напряжения с помощью вашего осциллографа дает основную информацию о сигнале, однако осциллографы часто предлагают гораздо более продвинутые инструменты для дальнейшего анализа вашего сигнала.Понимание того, как измерять напряжение с помощью осциллографа, — это первый шаг к раскрытию мощных измерительных возможностей, которые предлагает ваш осциллограф.

Приступая к работе: измерение напряжения осциллографом

Шаг 1. Включите осциллограф и нажмите кнопку «Настройка по умолчанию» на передней панели.

Шаг 2: Подключите датчик к каналу 1. Не особо беспокойтесь о типе датчика на данном этапе, но если у вас есть датчик с зажимом или другим механизмом, который не позволяет вам удерживать его на проводе, это облегчит тебе жизнь.Ниже приведен базовый пассивный пробник, который отлично подойдет для начала!

Шаг 3: Найдите надежную точку заземления и подсоедините к ней зажим заземления.
Шаг 4: Подключите наконечник пробника к сигналу, который вы хотите измерить.
Шаг 5: Осциллограф теперь производит замер напряжения вашего сигнала и отображает его изменение во времени. Если вы не видите полный сигнал на экране, нажмите кнопку «Auto Scale» на передней панели для центрирования и масштабирования формы сигнала.
Шаг 6: Используйте вертикальные и горизонтальные ручки для дальнейшей настройки отображения сигнала. Эти ручки помогут вам увеличивать и уменьшать масштаб, а также сдвигать сигнал вправо, влево, вверх и вниз. Чтобы получить наилучшее измерение, убедитесь, что ваш сигнал охватывает большую часть вертикальной шкалы.

Шаг 7: Самый простой способ рассчитать напряжение — это подсчитать количество делений сигнала сверху вниз и умножить его на вертикальную шкалу (вольт / деление).Обратите внимание, что деления также помечены в вольтах по оси Y, поэтому вы можете легко рассчитать напряжение вашего сигнала с помощью этих меток.

Многие осциллографы имеют функции, устраняющие необходимость в подсчете делений. Попробуйте один из этих методов, чтобы быстрее измерить напряжение с помощью осциллографа.
• Используйте экранные курсоры для измерения напряжения между двумя точками (верхняя и нижняя части кривой)
• Используйте измерение размаха напряжения
• Используйте встроенный DVM

Подробнее об осциллографах
Ознакомьтесь с недорогим осциллографом Keysight
Получите полезные советы по осциллографам от 2-Minute Guru

Как выбрать источник опорного напряжения

Почему именно опорное напряжение?

Это аналоговый мир.Все электронные устройства должны каким-то образом взаимодействовать с «реальным» миром, будь то автомобиль, микроволновая печь или мобильный телефон. Для этого электроника должна иметь возможность сопоставлять реальные измерения (скорость, давление, длина, температура) с измеряемой величиной в мире электроники (напряжением). Конечно, чтобы измерить напряжение, вам понадобится эталон, по которому можно будет измерить. Этот стандарт является эталоном напряжения. Вопрос для любого разработчика системы не в том, нужен ли ему источник опорного напряжения, а в том, какой именно?

Опорное напряжение — это просто цепь или элемент схемы, обеспечивающий известный потенциал до тех пор, пока этого требует схема.Это могут быть минуты, часы или годы. Если продукту требуется информация о мире, такая как напряжение или ток батареи, потребляемая мощность, размер или характеристики сигнала, или идентификация неисправности, то рассматриваемый сигнал необходимо сравнить со стандартом. Каждый компаратор, АЦП, ЦАП или цепь обнаружения должны иметь опорное напряжение, чтобы выполнять свою работу (рисунок 1). Сравнивая интересующий сигнал с известным значением, любой сигнал может быть точно определен количественно.

Рисунок 1. Типичное использование источника опорного напряжения для АЦП

Справочные спецификации

Источники опорного напряжения

бывают разных форм и предлагают различные функции, но, в конечном итоге, точность и стабильность являются наиболее важными характеристиками опорного напряжения, поскольку основная цель источника опорного напряжения — обеспечить известное выходное напряжение.Отклонение от этого известного значения является ошибкой. Спецификации опорного напряжения обычно предсказывают неопределенность опорного напряжения при определенных условиях, используя следующие определения.

Таблица 1. Технические характеристики источников опорного напряжения

	Температурный коэффициент	Начальная точность	I S	Архитектура	В ВЫХ	Шум напряжения *	Долгосрочный дрейф	Пакет
LT1031	5 частей на миллион / ° C	0.05%	1,2 мА	Зенер погребенный	10 В	0,6 частей на миллион	15 частей на миллион / кЧ	H
LT1019	5 частей на миллион / ° C	0,05%	650 мкА	Ширина запрещенной зоны	2,5 В, 4,5 В, 5 В, 10 В	2,5 частей на миллион		СО-8, ПДИП
LT1027	5 частей на миллион / ° C	0.05%	2,2 мА	Зенер погребенный	5 В	0,6 частей на миллион	20 частей на миллион / месяц	СО-8, ПДИП
LT1021	5 частей на миллион / ° C	0,05%	800 мкА	Зенер погребенный	5В, 7В, 10В	0,6 частей на миллион	15 частей на миллион / кЧ	СО-8, PDIP, H
LTC6652	5 частей на миллион / ° C	0.05%	350 мкА	Ширина запрещенной зоны	1,25 В, 2,048 В, 2,5 В, 3 В, 3,3 В, 4,096 В, 5 В	2,1 частей на миллион	60 частей на миллион / √kHr	MSOP
LT1236	5 частей на миллион / ° C	0,05%	800 мкА	Зенер погребенный	5 В, 10 В	0,6 частей на миллион	20 частей на миллион / кЧ	СО-8, ПДИП
LT1461	3 частей на миллион / ° C	0.04%	35 мкА	Ширина запрещенной зоны	2,5 В, 3 В, 3,3, 4,096 В, 5 В	8 частей на миллион	60 частей на миллион / √kHr	СО-8
LT1009	15 частей на миллион / ° C	0,2%	1,2 мА	Ширина запрещенной зоны	2,5 В		20 частей на миллион / кЧ	МСОП-8, СО-8, З
LT1389	20 частей на миллион / ° C	0.05%	700 нА	Ширина запрещенной зоны	1,25 В, 2,5 В, 4,096 В, 5 В	20 частей на миллион		СО-8
LT1634	10 частей на миллион / ° C	0,05%	7 мкА	Ширина запрещенной зоны	1,25 В, 2,5 В, 4,096 В, 5 В	6 частей на миллион		СО-8, МСОП-8, З
LT1029	20 частей на миллион / ° C	0.20%	700 мкА	Ширина запрещенной зоны	5 В		20 частей на миллион / кЧ	Z
LM399	1 частей на миллион / ° C	2%	15 мА	Зенер погребенный	7 В	1 часть на миллион	8 частей на миллион / √kHr	H
LTZ1000	0.05 частей на миллион / ° C	4%		Зенер погребенный	7,2 В	0,17 частей на миллион	2 мкВ / √кч	H
* 0,1–10 Гц, размах

Начальная точность

Отклонение выходного напряжения, измеренное при заданной температуре, обычно 25 ° C. Хотя начальное выходное напряжение может варьироваться от блока к блоку, если оно постоянно для данного блока, то его можно легко откалибровать.

Температурный дрейф

Эта спецификация является наиболее широко используемой для оценки характеристик опорного напряжения, поскольку она показывает изменение выходного напряжения в зависимости от температуры. Температурный дрейф вызван дефектами и нелинейностями в элементах схемы и в результате часто бывает нелинейным.

Для многих деталей температурный дрейф TC, указанный в ppm / ° C, является основным источником ошибок. Для деталей с постоянным дрейфом возможна калибровка. Распространенное заблуждение относительно дрейфа температуры состоит в том, что он линейный.Это приводит к таким предположениям, как «дрейф детали в меньшем диапазоне температур». Часто бывает наоборот. TC обычно указывается с помощью «блочного метода», чтобы дать представление о вероятной ошибке во всем диапазоне рабочих температур. Это расчетное значение, основанное только на минимальном и максимальном значениях напряжения, и не учитывает температуры, при которых возникают эти экстремумы.

Для опорных значений напряжения, которые очень линейны в указанном диапазоне температур, или для тех, которые не настроены тщательно, можно предположить, что ошибка наихудшего случая пропорциональна диапазону температур.Это связано с тем, что максимальное и минимальное выходные напряжения, скорее всего, будут обнаружены при максимальной и минимальной рабочих температурах. Однако для очень тщательно настроенных эталонов, часто идентифицируемых по очень низкому температурному дрейфу, нелинейный характер эталона может преобладать.

Например, эталонное значение, указанное как 100 ppm / ° C, имеет тенденцию выглядеть совершенно линейным в любом диапазоне температур, поскольку дрейф из-за несовпадения компонентов полностью скрывает присущую нелинейность. Напротив, температурный дрейф эталона, заданного как 5ppm / ° C, будет определяться нелинейностями.

Это можно легко увидеть на графике зависимости выходного напряжения от температуры на Рисунке 2. Обратите внимание, что здесь представлены две возможные температурные характеристики. Некомпенсированная запрещенная зона выглядит как парабола с минимумом на экстремумах температуры и максимумом в середине. Запрещенная зона с температурной компенсацией, такая как LT1019, показанная здесь, выглядит как S-образная кривая с наибольшим наклоном около центра температурного диапазона. В последнем случае нелинейность усугубляется, так что совокупная неопределенность по температуре уменьшается.

Рисунок 2. Температурные характеристики опорного напряжения

Наилучшее использование спецификации температурного дрейфа — вычисление максимальной общей погрешности в указанном диапазоне температур. Обычно не рекомендуется рассчитывать погрешности в неопределенных диапазонах температур, если характеристики температурного дрейфа не изучены.

Долгосрочная стабильность

Это мера тенденции опорного напряжения к изменению во времени, независимо от других переменных.Начальные сдвиги в значительной степени вызваны изменениями механического напряжения, обычно из-за разницы в скоростях расширения выводной рамы, штампа и компаунда пресс-формы. Этот стрессовый эффект имеет тенденцию иметь большой начальный сдвиг, который быстро уменьшается со временем. Начальный дрейф включает также изменение электрических характеристик элементов схемы, в том числе установление характеристик устройства на атомарном уровне. Более длительные сдвиги вызваны электрическими изменениями в элементах схемы, которые часто называют «старением».Этот дрейф имеет тенденцию происходить с меньшей скоростью по сравнению с первоначальным дрейфом и со временем снижаться. Поэтому часто указывается как дрейф / √kHr. Эталоны напряжения имеют тенденцию к более быстрому старению при более высоких температурах.

Температурный гистерезис

Эта спецификация, о которой часто забывают, также может быть основным источником ошибок. Он носит механический характер и является результатом изменения напряжения штампа из-за термоциклирования. Гистерезис можно наблюдать как изменение выходного напряжения при заданной температуре после большого температурного цикла.Он не зависит от температурного коэффициента и временного дрейфа и снижает эффективность начальной калибровки напряжения.

Большинство эталонов имеют тенденцию изменяться вокруг номинального выходного напряжения во время последующих температурных циклов, поэтому тепловой гистерезис обычно ограничивается предсказуемым максимальным значением. У каждого производителя свой метод определения этого параметра, поэтому типовые значения могут вводить в заблуждение. Данные распределения, представленные в таблицах данных, таких как LT1790 и LTC6652, гораздо более полезны при оценке погрешности выходного напряжения.

Другие характеристики

Дополнительные технические характеристики, которые могут быть важны в зависимости от требований приложения, включают:

• Шум напряжения
• Регламент линейки / PSRR
• Нормы нагрузки
• Падение напряжения
• Диапазон поставок
• Ток потребления

Справочные типы

Два основных типа опорного напряжения — шунтирующий и последовательный. В Таблице 2 приведен список серий линейных устройств и опорных напряжений шунта.

Таблица 2. Эталоны напряжения доступны от Linear Technology

Тип	Часть	Описание
Серия	LT1019	Прецизионная ширина запрещенной зоны
	LT1021	Прецизионный малошумящий стабилитрон со встроенной памятью
	LT1027	Precision 5V Скрытый стабилитрон
	LT1031	Прецизионный стабилитрон 10 В с низким уровнем шума / малым дрейфом
	LT1236	Прецизионный малошумящий стабилитрон со встроенной памятью
	LT1258	Micropower LDO Ширина запрещенной зоны
	LT1460	Прецизионная ширина запрещенной зоны Micropower
	LT1461	Micropower Сверхточная запрещенная зона
	LT1790	Микромощность, ширина запрещенной зоны с малым падением напряжения
	LT1798	Micropower LDO Ширина запрещенной зоны
	LT6650	Micropower 400 мВ / регулируемая ширина запрещенной зоны
	LTC6652	Precision Low Noise LDO Bandgap
Шунт	LM129	Точность 6.9В похороненный стабилитрон
	LM185	Micropower 1.2V / 2.5V стабилитрон
	LM399	Precision 7V Стабилитрон с подогревом
	LT1004	Micropower 1,2 В / 2,5 В с полосой пропускания
	LT1009	Прецизионная ширина запрещенной зоны 2,5 В
	LT1029	, 5 В, запрещенная зона
	LT1034	Micropower Dual (1.Ширина запрещенной зоны 2 В / стабилитрон 7 В)
	LT1389	Прецизионная запрещенная зона Nanopower
	LT1634	Прецизионная ширина запрещенной зоны Micropower
	LTZ1000	Сверхточный стабилитрон с подогревом

Каталожный номер шунта

Шунтирующий источник опорного напряжения — это двухконтактный тип, обычно рассчитанный на работу в указанном диапазоне токов. Хотя большинство шунтов имеют ширину запрещенной зоны и имеют различное напряжение, их можно представить себе, и они так же просты в использовании, как стабилитроны.

Наиболее распространенная схема связывает один вывод опорного сигнала с землей, а другой вывод — с резистором. Оставшийся вывод резистора подключается к источнику питания. По сути, это становится трехконтактной схемой. Общий вывод опорного сигнала / резистора является выходом. Резистор должен быть выбран таким образом, чтобы минимальный и максимальный токи через опорный ток находились в пределах указанного диапазона во всем диапазоне питания и диапазоне тока нагрузки. Эти эталоны довольно легко спроектировать при условии, что напряжение питания и ток нагрузки не сильно различаются.Если один из них или оба могут существенно измениться, то резистор должен быть выбран так, чтобы учесть это отклонение, часто заставляя схему рассеивать значительно больше мощности, чем требуется для номинального случая. В этом смысле его можно рассматривать как усилитель класса А.

Преимущества шунтирующих эталонов включают простую конструкцию, небольшие размеры и хорошую стабильность в широком диапазоне токов и нагрузок. Кроме того, они легко спроектированы как источники отрицательного напряжения и могут использоваться с очень высокими напряжениями питания, поскольку внешний резистор удерживает большую часть потенциала, или с очень низкими источниками питания, так как выходное напряжение может быть всего на несколько милливольт ниже поставка.Linear Technology предлагает шунтирующие устройства, включая LT1004, LT1009, LT1389, LT1634, LM399 и LTZ1000. Типичная шунтирующая цепь представлена ​​на рисунке 3.

Рисунок 3. Шунтирующее опорное напряжение

Справочная информация серии

Ссылки серии

— это три (или более) оконечных устройства. Они больше похожи на регуляторы с малым падением напряжения (LDO), поэтому обладают многими из тех же преимуществ. В частности, они потребляют относительно фиксированную величину тока питания в широком диапазоне напряжений питания и проводят ток нагрузки только тогда, когда этого требует нагрузка.Это делает их идеальными для цепей с большими перепадами напряжения питания или тока нагрузки. Они особенно полезны в цепях с очень большими токами нагрузки, поскольку между опорным сигналом и источником питания нет последовательного резистора.

Продукты серии

, доступные от Linear Technology, включают LT1460, LT1790, LT1461, LT1021, LT1236, LT1027, LTC6652, LT6660 и многие другие. Такие продукты, как LT1021 и LT1019, могут работать в качестве шунтирующего или последовательного источника опорного напряжения. Схема последовательного опорного сигнала показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Последовательное опорное напряжение

Ссылочные схемы

Существует множество способов создания ИС опорного напряжения. У каждого есть свои преимущества и недостатки.

Ссылки на стабилитрон

Скрытый эталонный стабилитрон имеет относительно простую конструкцию. Стабилитрон (или лавинный) диод имеет предсказуемое обратное напряжение, которое довольно стабильно по температуре и очень стабильно во времени. Эти диоды часто имеют очень низкий уровень шума и очень стабильны во времени, если они поддерживаются в небольшом диапазоне температур, что делает их полезными в приложениях, где изменения опорного напряжения должны быть как можно меньшими.

Эту стабильность можно объяснить относительно небольшим количеством компонентов и площади кристалла по сравнению с другими типами эталонных схем, а также тщательной конструкцией стабилитрона. Однако обычно наблюдаются относительно высокие отклонения начального напряжения и температурного дрейфа. Могут быть добавлены дополнительные схемы, чтобы компенсировать эти недостатки или обеспечить диапазон выходных напряжений. И шунтирующие, и последовательные ссылки используют стабилитроны.

Устройства

, такие как LT1021, LT1236 и LT1027, используют внутренние источники тока и усилители для регулирования напряжения и тока стабилитрона для повышения стабильности, а также для обеспечения различных выходных напряжений, таких как 5 В, 7 В и 10 В.Эта дополнительная схема делает стабилитрон более совместимым с широким спектром прикладных схем, но требует некоторого дополнительного запаса по питанию и может вызвать дополнительную ошибку.

В качестве альтернативы LM399 и LTZ1000 используют внутренние нагревательные элементы и дополнительные транзисторы для стабилизации температурного дрейфа стабилитрона, обеспечивая наилучшее сочетание температурной и временной стабильности. Кроме того, эти продукты на основе стабилитронов обладают чрезвычайно низким уровнем шума, обеспечивая наилучшую производительность.LTZ1000 демонстрирует температурный дрейф 0,05 ppm / ° C, долговременную стабильность 2 мкВ / √kHr и шум 1,2 мкВ _P-P . Чтобы дать некоторую перспективу, в лабораторном приборе общая погрешность эталонного напряжения LTZ1000 из-за шума и температуры будет всего около 1,7 ppm плюс часть 1 ppm в месяц из-за старения.

Ссылки на запрещенную зону

Хотя стабилитроны можно использовать для получения эталонов очень высоких характеристик, им не хватает гибкости. В частности, они требуют напряжения питания выше 7 В и предлагают относительно небольшое выходное напряжение.Напротив, эталонные значения ширины запрещенной зоны могут давать широкий спектр выходных напряжений с небольшим запасом по питанию — часто менее 100 мВ. Эталоны ширины запрещенной зоны могут быть разработаны для обеспечения очень точных начальных выходных напряжений и низкого температурного дрейфа, что устраняет необходимость в трудоемкой калибровке в приложении.

Работа с шириной запрещенной зоны основана на основных характеристиках транзисторов с биполярным переходом. На рисунке 5 показана упрощенная версия схемы LT1004 с основной запрещенной зоной. Можно показать, что несовпадающая пара транзисторов с биполярным переходом имеет разницу в V _BE , которая пропорциональна температуре.Эту разницу можно использовать для создания тока, линейно возрастающего с температурой. Когда этот ток проходит через резистор и транзистор, изменение температуры базового эмиттера транзистора отменяет изменение напряжения на резисторе, если он имеет правильный размер. Хотя это подавление не является полностью линейным, его можно компенсировать с помощью дополнительных схем, чтобы обеспечить очень низкий температурный дрейф.

Рис. 5. Схема с запрещенной зоной рассчитана на теоретически нулевой температурный коэффициент.

Математика, лежащая в основе базового опорного напряжения запрещенной зоны, интересна тем, что она объединяет известные температурные коэффициенты с уникальными соотношениями резисторов для создания опорного напряжения с теоретически нулевым температурным дрейфом. На рисунке 5 показаны два транзистора, масштабированные таким образом, что площадь эмиттера Q10 в 10 раз больше, чем у Q11, в то время как Q12 и Q13 поддерживают равные токи коллектора. Это создает известное напряжение между базами двух транзисторов:

.

где k — постоянная Больцмана в Дж / кельвин (1.38 × 10 ^-23 ), T — температура в кельвинах (273 + T (° C)), а q — заряд электрона в кулонах (1,6×10 ^-19 ). При 25 ° C kT / q имеет значение 25,7 мВ с положительным температурным коэффициентом 86 мкВ / ° C. ∆V _BE — это напряжение, умноженное на ln (10), или 2,3, для напряжения 25 ° C, равного примерно 60 мВ, с температурой 0,2 мВ / ° C.

При подаче этого напряжения на резистор 50 кОм, подключенный между базами, создается ток, пропорциональный температуре. Этот ток смещает диод Q14 с напряжением 575 мВ при 25 ° C и –2.Температурный коэффициент 2 мВ / ° C. Резисторы используются для создания падений напряжения с положительной температурой, которые добавляются к напряжению диода Q14, создавая таким образом потенциал опорного напряжения приблизительно 1,235 В с теоретическим температурным коэффициентом 0 мВ / ° C. Эти падения напряжения показаны на рисунке 5. Баланс схемы обеспечивает токи смещения и выходную мощность.

Linear Technology производит широкий спектр эталонов ширины запрещенной зоны, включая LT1460, небольшой и недорогой прецизионный эталон серии, LT1389, шунтирующий эталон сверхмалой мощности, а также LT1461 и LTC6652, которые являются эталонами с очень высокой точностью и малым дрейфом.Доступные выходные напряжения включают 1,2 В, 1,25 В, 2,048 В, 2,5 В, 3,0 В, 3,3 В, 4,096 В, 4,5 В, 5 В и 10 В. Эти опорные напряжения могут обеспечиваться в широком диапазоне источников питания и условий нагрузки с минимальными затратами напряжения и тока. Продукты могут быть очень точными, как в случае с LT1461, LT1019, LTC6652 и LT1790; очень маленький, как у LT1790 и LT1460 (SOT23), или LT6660 в корпусе DFN 2 мм × 2 мм; или с очень низким энергопотреблением, например LT1389, которому требуется всего 800 нА. В то время как эталоны Зенера часто имеют лучшую производительность с точки зрения шума и долговременной стабильности, новые эталоны ширины запрещенной зоны, такие как LTC6652, с размахом шума 2 ppm (0.От 1 Гц до 10 Гц) сокращают разрыв.

Ссылки на дробную запрещенную зону

Это ссылки, основанные на температурных характеристиках биполярных транзисторов, но с выходным напряжением, которое может составлять всего несколько милливольт. Они полезны для цепей с очень низким напряжением, особенно в приложениях компаратора, где пороговое значение должно быть меньше обычного напряжения запрещенной зоны (приблизительно 1,2 В).

На рисунке 6 показана основная схема от LM10, которая объединяет элементы, которые пропорциональны и обратно пропорциональны температуре, аналогично нормальному эталону ширины запрещенной зоны, чтобы получить постоянное эталонное напряжение 200 мВ.Дробная запрещенная зона обычно использует ∆V _BE для генерации тока, пропорционального температуре, и V _BE для генерации тока, который обратно пропорционален. Они объединены в соответствующем соотношении в резисторном элементе для создания не зависящего от температуры напряжения. Размер резистора можно изменять, чтобы изменять опорное напряжение, не влияя на температурные характеристики. Это отличается от традиционной схемы с запрещенной зоной тем, что схема с дробной запрещенной зоной объединяет токи, в то время как традиционные схемы имеют тенденцию объединять напряжения, обычно напряжение база-эмиттер и I • R с противоположным ТС.

Рисунок 6. Схема опорного напряжения 200 мВ

Дробные запрещенные зоны, подобные схеме LM10, также частично основаны на вычитании. LT6650 имеет опорный сигнал 400 мВ этого типа в сочетании с усилителем. Это позволяет изменять опорное напряжение, изменяя коэффициент усиления усилителя, и дает буферизованный выходной сигнал. С помощью этой простой схемы можно создать любое выходное напряжение от 0,4 В до нескольких милливольт ниже напряжения питания. В более интегрированном решении LT6700 (рис. 7) и LT6703 объединяют опорное напряжение 400 мВ с компараторами и могут использоваться в качестве мониторов напряжения или оконных компараторов.Опорное напряжение 400 мВ позволяет контролировать малые входные сигналы, что снижает сложность схем контроля и позволяет также контролировать элементы схемы, работающие при очень низком напряжении питания. Для больших пороговых значений можно добавить простой резисторный делитель (рисунок 8). Каждый из этих продуктов доступен в компактном корпусе (SOT23), потребляет малую мощность (менее 10 мкА) и работает в широком диапазоне напряжений (от 1,4 В до 18 В). Кроме того, LT6700 доступен в корпусе DFN 2 мм × 3 мм, а LT6703 доступен в корпусе DFN 2 мм × 2 мм.

Рис. 7. LT6700 позволяет проводить сравнения с порогами до 400 мВ.

Рисунок 8. Более высокие пороги устанавливаются путем деления входного напряжения.

Выбор артикула

Итак, теперь, имея все эти возможности, как выбрать правильный эталон для вашего приложения? Вот несколько советов, которые могут сузить диапазон вариантов:

• Напряжение питания слишком высокое? Выберите шунт.
• Насколько сильно различаются напряжение питания или ток нагрузки? Выберите серию.
• Требуется высокая энергоэффективность? Выберите серию.
• Определите свой реальный диапазон температур. Linear Technology обеспечивает гарантированные характеристики и работу в различных диапазонах температур, включая от 0 ° C до 70 ° C, от -40 ° C до 85 ° C и от -40 ° C до 125 ° C.
• Будьте реалистичны в отношении требуемой точности. Важно понимать точность, требуемую приложением. Это поможет определить важные характеристики.Принимая во внимание требование, умножьте температурный дрейф на указанный диапазон температур. Добавьте начальную погрешность, тепловой гистерезис и долговременный дрейф в течение предполагаемого срока службы продукта. Удалите все параметры, которые будут откалиброваны на заводе или периодически откалиброваны. Это дает представление о полной точности. Для наиболее требовательных приложений также могут быть добавлены шум, ошибки регулирования линии и регулирования нагрузки. Например, эталон с начальной погрешностью 0,1% (1000 ppm), температурным дрейфом 25 ppm / ° C от -40 ° C до 85 ° C, тепловым гистерезисом 200 ppm, размахом шума 2 ppm и временным дрейфом 50 ppm / √kHr будет иметь общую неопределенность более 4300 частей на миллион на момент построения схемы.Эта погрешность увеличивается на 50 частей на миллион в первые 1000 часов, когда цепь находится под напряжением. Первоначальная точность может быть откалибрована, уменьшив погрешность до 3300 частей на миллион + 50 частей на миллион • √ (т / 1000 часов).
• Каков реальный диапазон предложения? Какое максимальное ожидаемое напряжение питания? Будут ли возникать неисправности, такие как сброс нагрузки батареи или всплески индуктивного питания при горячей замене, которые эталонная ИС должна выдерживать? Это может значительно сократить количество жизнеспособных вариантов.
• Сколько энергии может потреблять эталонный образец? Эталоны обычно делятся на несколько категорий: более 1 мА, ~ 500 мкА, <300 мкА, <50 мкА, <10 мкА, <1 мкА.
• Какой ток нагрузки? Будет ли нагрузка потреблять значительный ток или производить ток, который должен потреблять эталон? Многие ссылки могут обеспечить только малые токи нагрузки, а немногие могут поглощать значительный ток. Спецификация регулирования нагрузки — хорошее руководство.
• Сколько у вас места? Артикулы поставляются в самых разных упаковках, включая металлические банки, пластиковые упаковки (DIP, SOIC, SOT) и очень маленькие упаковки, включая LT6660 в DFN 2 мм × 2 мм.Существует широко распространенное мнение, что ссылки в упаковках большего размера имеют меньшую погрешность из-за механического напряжения, чем упаковки меньшего размера. Хотя верно то, что некоторые ссылки могут дать лучшую производительность в больших пакетах, есть свидетельства того, что разница в производительности мало связана непосредственно с размером пакета. Более вероятно, что из-за того, что меньшие по размеру кристаллы используются для продуктов, которые предлагаются в меньших корпусах, необходимо сделать некоторые компромиссы в производительности, чтобы установить схему на кристалле. Обычно метод установки пакета дает более существенную разницу в производительности, чем фактический пакет — тщательное внимание к способам и местоположению установки может максимизировать производительность.Кроме того, устройства с меньшей площадью основания могут демонстрировать меньшую нагрузку при изгибе печатной платы по сравнению с устройствами с большей площадью основания. Это подробно обсуждается в примечании к применению AN82 «Понимание и применение источников опорного напряжения», доступном от Linear Technology.

Заключение

Linear Technology предлагает широкий выбор эталонных устройств напряжения. К ним относятся как последовательные, так и шунтирующие эталоны, разработанные с использованием стабилитронов, запрещенных зон и других типов. Справочные материалы доступны для различных классов производительности и температуры и почти для всех мыслимых типов корпусов.Ассортимент продукции варьируется от имеющейся наивысшей точности до небольших и недорогих альтернатив. Благодаря обширному арсеналу эталонов напряжения эталоны напряжения Linear Technology удовлетворяют потребности практически любого приложения.

См. Также инструкцию AN82 по применению Linear Technology «Общие сведения о и применении источников опорного напряжения», которую можно загрузить здесь.

Осциллограф

Измерение напряжения — пиковое и размах напряжения

Измерения напряжения на осциллографе

Напряжение — это величина электрического потенциала, выраженная в вольтах, между двумя точками в цепи.Обычно одна из этих точек заземляется (ноль вольт), но не всегда. Напряжения также можно измерять от пика до пика — от точки максимума сигнала до точки его минимума. Будьте внимательны, чтобы указать, какое напряжение вы имеете в виду.

Осциллограф — это прежде всего прибор для измерения напряжения. После того, как вы измерили напряжение, другие величины можно будет просто вычислить. Например, закон Ома гласит, что напряжение между двумя точками в цепи равно току, умноженному на сопротивление. Из любых двух из этих величин можно вычислить третью.Еще одна удобная формула — это степенной закон: мощность сигнала постоянного тока равна напряжению, умноженному на ток. Расчеты для сигналов переменного тока более сложны, но суть в том, что измерение напряжения — это первый шаг к вычислению других величин.

На следующем рисунке показано напряжение одного пика — V [p] — и размах напряжения — V [p-p] -, которое обычно в два раза превышает V [p]. Используйте RMS (среднеквадратичное) напряжение — V [RMS] — для расчета мощности сигнала переменного тока.