Принципиальная схема вольтметра: Принципиальная схема вольтметра

Вольтметр на операционном усилителе

При налаживании различной электронной аппаратуры часто требуется вольтметр переменного и постоянного напряжения с высоким входным сопротивлением, работающий в широком интервале частот. Именно такой и относительно несложный прибор удалось сконструировать на ОУ К574УД1А, обладающем высокими характеристиками (частотой единичного усиления более 10 МГц и скоростью нарастания выходного напряжения до 90 В/мкс).

Принципиальная схема вольтметра приведена на рис. 1.

Он позволяет измерять переменное и постоянное напряжения в 11 поддиапазонах (верхние пределы измерений указаны на схеме). Интервал частот — от 20 Гц до 100 кГц в поддиапазоне “10 мВ”, до 200 кГц в поддиапазоне “30 мВ” и до 600 кГц в остальных. Входное сопротивление — 1 МОм. Погрешность измерения постоянного напряжения — ±2, переменного — ± 4 %. Дрейф нуля после прогрева (20 мин) практически отсутствует. Потребляемый ток — не более 20 мА.

Прибор содержит прецизионный выпрямитель на ОУ DA1 с диодным мостом VD1—VD4 в цепи ООС. Выпрямленное напряжение поступает на микроамперметр РА1. Такое включение позволяет получить максимально линейную шкалу вольтметра. Резистор R14 служит для балансировки ОУ, т. е. для установки нулевых показаний прибора.

Прецизионный выпрямитель использован для измерения не только переменного, но и постоянного напряжения, что уменьшило число переключении при переходе с одного режима работы на другой. Кроме того, это упростило процесс измерения постоянного напряжения, так как отпала необходимость изменять полярность включения микроамперметра РА1. Знак измеряемого постоянного напряжения определяет индикатор полярности на ОУ DA2, включенном по схеме масштабного усилителя и нагруженном светодиодами HL1, HL2. Чувствительность устройства такова, что оно индицирует полярность напряжения при отклонении стрелки микроамперметра всего на одно деление шкалы.

Режим работы прибора выбирают переключателем SA1, поддиапазон измерения — переключателем SA2, изменяющим глубину ООС, охватывающей ОУ DA1. При этом в цепь ООС могут быть включены две группы резисторов: R7—R11 (при постоянном напряжении на входе) и R18, R19, R21— R23 (при переменном). Номиналы последних подобраны таким образом, что показания прибора соответствуют эффективным значениям синусоидального

переменного напряжения. Корректирующие цепи R17C8, R20C9 уменьшают неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) прибора на поддиапазонах “10 мВ” и “30 мВ”. Дроссель L1 компенсирует нелинейность АЧХ операционного усилителя DA1. Кратность пределов измерения единице и трем обеспечивается входными частотнокомпенсированными делителями на элементах R1—R6, С2— С7. Изменение коэффициента деления происходит одновременно с переключением резисторов в цепи ООС микросхемы DA1 переключателем SA2.

Питается прибор от импульсного источника (рис. 2). За основу взято устройство, описанное в статье В. Зайцева, В. Рыженкова “Малогабаритный сетевой блок питания” (“Радио”, 1976, № 8, с. 42, 43). Для повышения стабильности и снижения уровня пульсации питающих напряжений оно дополнено стабилизаторами на микросхемах DA3, DA4 и LC-фильтрами. Можно использовать и другой подходящий стабилизированный источник напряжений ±15 В, а также батарею гальванических элементов или аккумуляторов.

В вольтметре применен микроамперметр М265 (класса точности 1) с током полного отклонения 100 мкА и двумя шкалами (с конечными отметками 100 и 300). Допускаемое отклонение сопротивлений резисторов R1—R6, R7—R11, R18, R19, R21—R23 — не более ±0,5 %. Микросхему К574УД1А можно заменить на К574УД1Б, К574УД1В. Дроссели L1—L5 — ДМ-0,1. Трансформатор Т1 намотан на тороидальном магнитопроводе внешним диаметром 34, внутренним 18 и высотой 8 мм из пермаллоевой ленты толщиной 0,1 мм. Обмотки I и IV содержат по 60 витков провода ПЭВ-2 0,1, II и III — по 120 (ПЭВ-2 0,2), а V и VI — по 110 (ПЭВ-2 0,3) витков.

Для уменьшения наводок элементы входного делителя и резисторы цепи ООС R7—R11, R18, R19, R21—R23 смонтированы непосредственно на контактах переключателя SA2. Остальные детали размещены на плате, закрепленной на резьбовых шпильках-выводах микроамперметра. Микросхема DA1 закрыта латунным экраном. Выводы питания 5 и 8 ОУ непосредственно у микросхемы DA1 соединяют через конденсаторы емкостью 0,022…0,1 мкФ с общим проводом. С переключателями SA1, SA2 ее выводы 3 и 4 соединены экранированными проводами. Транзисторы VT1, VT2 источника питания установлены на теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности около 6 см

Налаживание начинают с источника питания. Если его блокинг-генератор не самовозбуждается, генерации добиваются подбором резистора R26. После этого подстроечными резисторами R28, R30 устанавливают напряжения +15 и —15 В, подключают к источнику налаживаемый прибор и убеждаются в отсутствии самовозбуждения микросхемы DA1. Если это все же происходит, то между ее выводами 6 и 7 включают конденсатор емкостью 4…10 пФ и проверяют отсутствие самовозбуждения на всех поддиапазонах измерения постоянного и переменного напряжения.

Далее прибор переключают на поддиапазон измерения переменного напряжения “1 В” и подают на вход синусоидальный сигнал частотой 100 Гц. Изменяя его амплитуду, добиваются отклонения стрелки на среднюю отметку шкалы. Увеличивая частоту входного напряжения, подстроечным конденсатором С2 добиваются минимальных изменений показаний прибора в рабочем интервале частот. То же самое делают на поддиапазонах “10 В” и “100 В”, изменяя емкость конденсаторов С4 и С6 соответственно. После этого по образцовому вольтметру проверяют показания прибора на всех поддиапазонах.

Следует отметить, что при отсутствии микросхемы К574УД1А в вольтметре можно использовать ОУ К140УД8 с любым буквенным индексом, однако это приведет к некоторому сужению рабочего интервала частот.

г. Омск

В. ЩЕЛКАНОВ

РАДИО № 4, 1985 г., с. 48.

Содержание

© Каталог радиолюбительских схем Все права защищены. Радиолюбительская страница. Перепечатка разрешается только с указанием ссылки на данный сайт. Пишите нам. E-mail: [email protected] или [email protected].

Я радиолюбитель

СХЕМА ВОЛЬТМЕТРА В АВТОМОБИЛЬ

21.10.201821.10.2022 от admin

Современный автомобиль должен иметь бортовой компьютер, где имеются функции мониторинга состояния аккумулятора 12 В. Однако при отсутствии этого модуля, его несложно собрать самому. Вот схема измерителя напряжения на клеммах аккумулятора автомобиля. Он действительно нужен, так как если система зарядки аккумулятора работает неправильно, батарея не получает должное напряжения заряда (около 13.8 В для 12 В батареи). Такая простая электронная система для контроля напряжения автомобильной аккумуляторной батареи и системы зарядки подключается к гнезду прикуривателя и отображает значение выходного напряжения на клеммах батареи на 4-х разрядном семисегментном светодиодном индикаторе.

Микроконтроллер PIC16F1827 является главным элементом в этом проекте, который использует встроенный модуль фиксированного опорного напряжения (FVR), позволяющий очень точно выполнить аналого-цифровое преобразование напряжения батареи. Когда двигатель выключен, напряжение измеряет фактическое выходное напряжение от батареи. Но если двигатель автомобиля работает, он на самом деле измеряет напряжение заряда всей батареи, поступающей из автомобиля по системе зарядки (генератор + выпрямитель). Функциональная блок-схема проекта приведена ниже.

Тут напряжение +5 В для питания микроконтроллера PIC16F1827 является производным от автомобильной аккумуляторной батареи +12 В с помощью любого стабилизатора (например LM7805). Напряжение на клеммах батареи измеряется с помощью АЦП PIC16F1827.

В FVR модуле, внутри МК, выбирается для получения стойкого положительного опорного напряжения значение 4.096 В — для точного аналого-цифрового преобразования. Перед подачей на АЦП, выходное напряжение аккумулятора понижено ниже опорного напряжения с помощью делителя напряжения. Измеренное мгновенное значение напряжения батареи отображается на 4-х разрядном LED дисплее.

Схема автомобильного вольтметра

Схема проекта приведена выше. В микроконтроллере используется AN4 канал АЦП для измерения напряжения на клеммах аккумулятора. На резисторах R1 и R2, на входе АЦП, выполнен простой делитель напряжения. Максимальное измеряемое напряжения входного сигнала в точке AN4 — 4.096 вольта (ограничено использованием внутреннего источника опорного напряжения для аналого-цифрового преобразования). Следовательно, максимальное входное напряжение (VBattery) может быть получено из следующего уравнения:

4.096 В = R2 С*VBattery/(Р1 + Р2), тогда VBattery = 16.93 В.

Диапазон входного напряжения может быть увеличен путем простого опускания значения R2. Стабилитрон ставится параллельно с R2, чтобы предотвратить прохождение напряжение на АЦП микроконтроллера выше 5.1 В. В противном случае, любое случайное высокое входное напряжение может повредить микроконтроллерный порт.

Измеренное напряжение показано на 4-значном светодиодном дисплее с общим катодом. Семь сегментов (а-G) и десятичная точка (ДП) приводятся в движение через а portb из PIC16F1827. Микроконтроллер работает на частоте 500 кГц с использованием внутреннего источника синхронизации. На сборке ULN2003 обеспечивается нужный ток для каждого из общих катодов светодиодного модуля.

Прошивка для проекта была разработана в mikroC Pro для компилятора. Использование внутреннего опорного напряжения для аналого-цифрового преобразования требует конфигурации регистров FVRCON и ADCON1. Полный исходный код можно скачать по ссылке.

Как пользоваться прибором

Подключите устройство в розетку прикуривателя и поверните ключ автомобиля в положение ON не запуская двигатель. При этом отобразится значение напряжения автомобильного аккумулятора (около 12 В). После запуска двигателя, аккумулятор начинает прием зарядного напряжения от генератора. Это напряжение должно быть выше, чем фактическое напряжение самой батареи (около 13. 8 В).

Originally posted 2018-10-21 10:53:33. Republished by Blog Post Promoter

с использованием ICL7107

В этом проекте мы собираемся построить цифровой вольтметр без использования микроконтроллера. Здесь мы используем очень популярную микросхему для измерения напряжения, а именно ICL7107/CS7107 . Используя ICL7107, мы можем построить точный и недорогой вольтметр. ICL7107 — это 3,5-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который потребляет очень мало энергии. Микросхема имеет внутреннюю схему для управления четырехсегментным дисплеем для отображения измеренного напряжения. Он также имеет тактовую схему и источник опорного напряжения.

Вольтметр — очень полезное устройство, которое часто оказывается очень удобным, поэтому мы построили этот цифровой вольтметр на печатной плате , чтобы его можно было легко использовать где угодно. Ранее мы построили множество схем для измерения напряжения:

• Цифровой вольтметр 0-25 В с использованием микроконтроллера AVR
• Цепь вольтметра LM3914
• Система контроля напряжения автомобильного аккумулятора на основе PIC
• Цепь контроля батареи

Требуемые компоненты:

1. LM555                               -1
2. ICL7107/CS7107               -1
3. LM7805                             -1
4. Общий анод Семисегментный светодиодный индикатор -4
5. Печатная плата                                    -1
6. Клеммная колодка 2 контакта         -2
7. 47k                                      -1
8. 1k                                       -5
9. 22k                                      -1
10. 10K                                    -1
11. 120K                                  -1
12. POT 5K                               -1
13. 100 нФ                                -3
14. 10 мкФ                                  -2
15. 100 пФ                                -1
16. 220 нФ                                -1
17. 47 нФ                                  -1
18. Источник питания 9 В/12 В       -1
19. Светодиодный индикатор                                    -1
20. Палочки Berg                         -2
21. 40-контактная база ИС                    -1
22. 8-контактная база микросхемы                     -1
23. Зонд или провод
24. 1N4148 Диод                   -2

Принципиальная схема и пояснение к работе:

Работа этого цифрового вольтметра Схема очень проста. АЦП внутри ИС представляет собой интегрирующий преобразователь или аналого-цифровой преобразователь двойного типа. Внутренний АЦП этой ИС считывает измеряемое напряжение, сравнивает его с внутренним эталонным напряжением и преобразует его в цифровой эквивалент. Затем этот цифровой эквивалент декодируется для семисегментных дисплеев с помощью схемы драйвера внутри ICL7107, а затем отображается на четырех семисегментном светодиодном дисплее. Узнайте здесь, как можно использовать АЦП для измерения напряжения и проверки Демонстрационное видео конец этой статьи, где мы измерили выходную мощность Arduino для целей тестирования.

Здесь резистор R1 и конденсатор C1 используются для установки частоты внутренних часов ICL7107. Конденсатор C2 фильтрует колебания внутреннего опорного напряжения и обеспечивает стабильные показания на семисегментном дисплее. R5 отвечает за контроль диапазона вольтметра. (R5=1K для диапазона 0-20В и 10K для диапазона 0-200В). RV1 — это потенциометр, который можно использовать для калибровки напряжения вольтметра или установить опорное напряжение для внутреннего АЦП.

Эта схема включает в себя 4 семисегментных светодиодных индикатора с общим анодом и индикатором отрицательного напряжения. Эта схема должна работать при напряжении питания 5 В, поэтому мы использовали микросхему стабилизатора напряжения 7805 для подачи 5 В в схему, а также для предотвращения повреждения ICL7107.

Отрицательное напряжение питания: Здесь нам также нужно подать отрицательное питание на контакт № 26 ICL7107, для которого мы использовали 555 IC. Микросхема таймера 555IC настроена здесь как ASTABLE мультивибратор. Конденсатор здесь можно заменить, однако выбор следует проводить по максимальному отрицательному напряжению. Если выбранная емкость не подходит, то мы не можем получить максимальное отрицательное напряжение на выходе. Здесь мы использовали 100 нФ и 10 мкФ. Проверьте здесь, как мы можем использовать микросхему таймера 555 для генерации отрицательного напряжения.

Проектирование схем и печатных плат с использованием EasyEDA:

EasyEDA — это не только комплексное решение для создания схем, моделирования схем и проектирования печатных плат, но и недорогие услуги по созданию прототипов печатных плат и поиску компонентов. Недавно они запустили свою службу поиска компонентов, где у них есть большой запас электронных компонентов, и пользователи могут заказывать необходимые компоненты вместе с заказом на печатную плату.

При проектировании своих схем и печатных плат вы также можете опубликовать свои проекты схем и печатных плат, чтобы другие пользователи могли копировать или редактировать их и получать от этого выгоду. Вольтметр с использованием ICL7071,  пройдите по ссылке ниже:

https://easyeda.com/circuitdigest/Voltmeter-68b3b31dc1d548a4954d55b24f77110e

Верхний шелк, нижний шелк и т. д.) печатной платы, выбрав слой в окне «Слои».

Вы также можете увидеть Фото печатной платы с помощью EasyEDA:

Расчет и заказ образцов онлайн:

Вы можете нажать на иконку печатной платы. Выход изготовления , после чего вы перейдете на страницу заказа печатных плат. Здесь вы можете просмотреть свою печатную плату в Gerber Viewer или загрузить файлы Gerber вашей печатной платы. Здесь вы можете выбрать количество печатных плат, которые вы хотите заказать, сколько слоев меди вам нужно, толщину печатной платы, вес меди и даже цвет печатной платы. После того, как вы выбрали все параметры, нажмите «Сохранить в корзину» и завершите свой заказ. Недавно они значительно снизили цены на печатные платы, и теперь вы можете заказать 9 штук.0003 10 шт. двухслойной печатной платы размером 10 см x 10 см всего за 2  долларов США.

 

Вот печатные платы Я получил от EasyEDA:

 

Ниже представлены 90 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7

 

Здесь, в этом проекте мы измерили выходное напряжение Arduino для целей тестирования, посмотрите демонстрационное видео ниже.

21.4 Вольтметры и амперметры постоянного тока – College Physics

Резюме

• Объясните, почему вольтметр должен быть подключен параллельно цепи.
• Нарисуйте схему, показывающую правильное подключение амперметра к цепи.
• Опишите, как можно использовать гальванометр как вольтметр или амперметр.
• Найдите сопротивление, которое нужно включить последовательно с гальванометром, чтобы его можно было использовать как вольтметр с заданными показаниями.
• Объясните, почему измерение напряжения или тока в цепи никогда не может быть точным.

Вольтметры измеряют напряжение, тогда как амперметры измеряют ток. Некоторые счетчики в автомобильных приборных панелях, цифровых камерах, сотовых телефонах и тюнерах-усилителях являются вольтметрами или амперметрами. (См. рис. 1.) Внутренняя конструкция простейших из этих счетчиков и то, как они подключены к системе, которую они контролируют, дают дополнительные сведения о применении последовательных и параллельных соединений.

Рисунок 1. Датчики уровня топлива и температуры (крайний правый и крайний левый соответственно) в этом 1996 Volkswagen — это вольтметры, которые регистрируют выходное напряжение блоков-«передатчиков», которое, как мы надеемся, пропорционально количеству бензина в баке и температуре двигателя. (кредит: Кристиан Гирсинг)

вольтметра подключены параллельно любому устройству, напряжение которого нужно измерить. Параллельное соединение используется потому, что параллельные объекты испытывают одинаковую разность потенциалов. (См. рис. 2, где вольтметр обозначен символом V.)

Амперметры подключаются последовательно к устройству, ток которого измеряется. Последовательное соединение используется потому, что последовательно соединенные объекты имеют одинаковый ток, проходящий через них. (См. рис. 3, где амперметр обозначен символом А.)

Рисунок 2. (a) Для измерения разности потенциалов в этой последовательной цепи вольтметр (V) помещают параллельно источнику напряжения или одному из резисторов. Обратите внимание, что напряжение на клеммах измеряется между точками a и b. Невозможно подключить вольтметр непосредственно через ЭДС без учета его внутреннего сопротивления, r . (b) Используемый цифровой вольтметр. (кредит: Messtechniker, Wikimedia Commons) Рисунок 3. Амперметр (А) подключен последовательно для измерения тока. Весь ток в этой цепи протекает через счетчик. Амперметр будет иметь такое же показание, если он будет расположен между точками d и e или между точками f и a, как показано на рисунке. (Обратите внимание, что заглавная буква E означает emf, а r обозначает внутреннее сопротивление источника разности потенциалов.)

Аналоговые счетчики имеют стрелку, которая поворачивается, указывая на числа на шкале, в отличие от цифровых счетчиков , которые имеют числовые показания, подобные ручному калькулятору. Сердцем большинства аналоговых счетчиков является устройство, называемое гальванометром , обозначаемым буквой G. Ток, протекающий через гальванометр $latex \boldsymbol{I_{\textbf{G}}}$, вызывает пропорциональное отклонение стрелки. (Это отклонение происходит из-за силы магнитного поля, действующей на проводник с током.)

Двумя важнейшими характеристиками данного гальванометра являются его сопротивление и чувствительность к току. Чувствительность по току — это ток, который дает полное отклонение стрелки гальванометра, максимальный ток, который может измерить прибор. Например, гальванометр с токовой чувствительностью $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A}} $ имеет максимальное отклонение стрелки, когда $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A} } $ проходит через него, читается наполовину, когда $latex \boldsymbol{25 \;\mu \textbf{A}} $ проходит через него, и так далее.

Если такой гальванометр имеет сопротивление $латекс \boldsymbol{25 – \;\Omega}$, то напряжение всего $латекс \boldsymbol{V = IR = (50 \;\mu \textbf{A}) (25 \;\Omega) = 1,25 \;\textbf{мВ}} $ дает полномасштабное показание. Подключая резисторы к этому гальванометру различными способами, вы можете использовать его как вольтметр или амперметр, который может измерять широкий диапазон напряжений или токов.

Гальванометр как вольтметр

На рис. 4 показано, как можно использовать гальванометр в качестве вольтметра, подключив его последовательно с большим сопротивлением $latex \boldsymbol{R} $. Значение сопротивления $latex \boldsymbol{R} $ определяется максимальным измеряемым напряжением. Предположим, вы хотите, чтобы напряжение 10 В вызывало полное отклонение вольтметра, содержащего $латексный \boldsymbol{25 – \;\Omega} $ гальванометр с $латексным \boldsymbol{50 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность. Тогда 10 В, подаваемые на счетчик, должны давать ток $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A}} $. Общее сопротивление должно быть

$latex \boldsymbol{R_{\textbf{tot}} = R + r =} $ $latex \boldsymbol{=} $ $latex \boldsymbol{=200 \;\textbf{k} \Omega \;\textbf{ , или}} $

$латекс \boldsymbol{R = R_{\textbf{tot}} – r = 200 \;\textbf{k} \Omega – 25 \;\Omega \примерно 200 \;\textbf{k} \Omega} $

($latex \boldsymbol{R} $ настолько велик, что сопротивлением гальванометра, $latex \boldsymbol{r} $, можно пренебречь). латекс \boldsymbol{25 – \;\mu \textbf{A}} $ ток через счетчик, поэтому показания вольтметра, как и требуется, пропорциональны напряжению.

Этот вольтметр бесполезен при напряжении менее половины вольта, потому что отклонение измерителя будет небольшим и его трудно будет точно считывать. Для других диапазонов напряжения последовательно с гальванометром включают другие сопротивления. Многие счетчики имеют выбор шкалы. Этот выбор включает последовательное включение соответствующего сопротивления с гальванометром.

Рис. 4. Большое сопротивление R , включенное последовательно с гальванометром G, дает вольтметр, отклонение которого на полную шкалу зависит от выбора Р . Чем больше измеряемое напряжение, тем больше должно быть R . (Обратите внимание, что r представляет собой внутреннее сопротивление гальванометра.)

Гальванометр как амперметр

Тот же гальванометр можно также превратить в амперметр, поместив его параллельно с небольшим сопротивлением $латекс \boldsymbol{R} $, часто называемым шунтовым сопротивлением , как показано на рисунке 5. Поскольку шунтирующее сопротивление мало, через него проходит большая часть тока, что позволяет амперметру измерять токи, намного большие, чем те, которые вызывают полное отклонение гальванометра.

Допустим, например, нужен амперметр, дающий полное отклонение на 1,0 А, и содержащий тот же $латексный \boldsymbol{25 – \;\Omega} $ гальванометр с его $латексным \boldsymbol{50 – \; \mu \textbf{A}} $ чувствительность. Поскольку $latex \boldsymbol{R} $ и $latex \boldsymbol{r} $ соединены параллельно, напряжение на них одинаково.

Эти капли $latex \boldsymbol{IR} $ являются $latex \boldsymbol{IR = I_Gr} $, так что $latex \boldsymbol{IR = \frac{I_G}{I} = \frac{R}{r}} $ . Находя $latex \boldsymbol{R} $ и учитывая, что $latex \boldsymbol{I_G} $ есть $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A}} $, а $latex \boldsymbol{I} $ есть 0,9{-3} \;\Омега}. $

Рис. 5. Небольшое шунтирующее сопротивление R , помещенное параллельно с гальванометром G, дает амперметр, отклонение на полную шкалу которого зависит от выбора R . Чем больше измеряемый ток, тем меньше должны быть R . Большая часть тока ( I ), протекающего через счетчик, шунтируется через R для защиты гальванометра. (Обратите внимание, что r представляет собой внутреннее сопротивление гальванометра.) Амперметры также могут иметь несколько шкал для большей гибкости в применении. Различные масштабы достигаются включением различных шунтирующих сопротивлений параллельно гальванометру — чем больше максимальный измеряемый ток, тем меньше должно быть шунтирующее сопротивление.

Когда вы используете вольтметр или амперметр, вы подключаете другой резистор к существующей цепи и, таким образом, изменяете схему. В идеале вольтметры и амперметры не оказывают заметного влияния на цепь, но полезно изучить обстоятельства, при которых они влияют или не влияют.

Сначала рассмотрим вольтметр, который всегда ставится параллельно измеряемому устройству. Через вольтметр протекает очень небольшой ток, если его сопротивление на несколько порядков больше, чем сопротивление устройства, и поэтому на цепь не оказывается заметного влияния. (См. рис. 6(а).) (Большое сопротивление, соединенное параллельно с малым, имеет суммарное сопротивление, практически равное малому.) Если, однако, сопротивление вольтметра сравнимо с сопротивлением измеряемого устройства, то два параллельно имеют меньшее сопротивление, заметно влияя на цепь. (См. рис. 6(b).) Напряжение на устройстве не такое, как если бы вольтметр не был включен в цепь.

Рисунок 6. (a) Вольтметр, сопротивление которого значительно превышает сопротивление устройства ( R _{Вольтметр} >> R ), с которым он соединен параллельно, создает параллельное сопротивление, практически такое же, как и устройство, и не оказывает заметного влияния измеряемая цепь. (b) Здесь вольтметр имеет то же сопротивление, что и устройство ( R _{Вольтметр} ≅ R ), так что параллельное сопротивление вдвое меньше, чем при неподключенном вольтметре. Это пример существенного изменения схемы, которого следует избегать.

Амперметр включен последовательно в измеряемую ветвь цепи, так что его сопротивление добавляется к этой ветви. Обычно сопротивление амперметра очень мало по сравнению с сопротивлениями устройств в цепи, поэтому лишнее сопротивление незначительно. (См. рис. 7(а).) Однако, если используются очень малые сопротивления нагрузки или если сопротивление амперметра не такое низкое, как должно быть, то общее последовательное сопротивление будет значительно больше, а ток в ответвлении составит измеряемое уменьшается. (См. рис. 7(b).)

При неправильном подключении амперметра может возникнуть практическая проблема. Если бы он был подключен параллельно резистору для измерения тока в нем, вы могли бы повредить счетчик; низкое сопротивление амперметра позволило бы большей части тока в цепи проходить через гальванометр, и этот ток был бы больше, поскольку эффективное сопротивление меньше.

Рисунок 7. (a) Обычно амперметр имеет настолько малое сопротивление, что общее последовательное сопротивление в измеряемой ветви не увеличивается заметно. Схема практически не изменилась по сравнению с отсутствием амперметра. (b) Здесь сопротивление амперметра такое же, как сопротивление ответвления, так что общее сопротивление удваивается, а ток вдвое меньше, чем без амперметра. Этого значительного изменения схемы следует избегать.

Одним из решений проблемы помех вольтметров и амперметров в измеряемых цепях является использование гальванометров с большей чувствительностью. Это позволяет создавать вольтметры с большим сопротивлением и амперметры с меньшим сопротивлением, чем при использовании менее чувствительных гальванометров.

Существуют практические пределы чувствительности гальванометра, но можно получить аналоговые измерители, точность измерений которых составляет несколько процентов. Обратите внимание, что неточность возникает из-за изменения схемы, а не из-за неисправности счетчика.

Connections: Limits to Knowledge

Выполнение измерения изменяет измеряемую систему таким образом, что возникает неопределенность в измерении. Для макроскопических систем, таких как схемы, обсуждаемые в этом модуле, изменение обычно можно сделать пренебрежимо малым, но полностью устранить его нельзя. Для субмикроскопических систем, таких как атомы, ядра и более мелкие частицы, измерение изменяет систему таким образом, что ее нельзя сделать произвольно малой. Это фактически ограничивает знание системы — даже ограничивает то, что природа может знать о себе. Мы увидим глубокие последствия этого, когда принцип неопределенности Гейзенберга будет обсуждаться в модулях по квантовой механике. 96} $.

PhET Explorations: Набор для построения схемы (только DC), виртуальная лаборатория

Стимулируйте нейрон и следите за тем, что происходит. Делайте паузы, перематывайте назад и двигайтесь вперед во времени, чтобы наблюдать за движением ионов через мембрану нейрона.

Рис. 8. Комплект для построения схемы (только для постоянного тока), виртуальная лаборатория
• Вольтметры измеряют напряжение, а амперметры измеряют ток.
• Вольтметр размещается параллельно источнику напряжения для получения полного напряжения и должен иметь большое сопротивление, чтобы ограничить его влияние на цепь.
• Амперметр включен последовательно, чтобы получить полный ток, протекающий через ответвление, и должен иметь небольшое сопротивление, чтобы ограничить его влияние на цепь.
• Оба могут быть основаны на комбинации резистора и гальванометра, устройства, которое дает аналоговое считывание тока.
• Стандартные вольтметры и амперметры изменяют измеряемую цепь и, таким образом, имеют ограниченную точность.

Задача Упражнения

1: Какова чувствительность гальванометра (т. е. какой ток дает полное отклонение) внутри вольтметра, имеющего $latex \boldsymbol{1.00 – \;\textbf{M} \ Сопротивление Omega} $ по шкале 30,0 В?

2: Какова чувствительность гальванометра (то есть какой ток дает полное отклонение) внутри вольтметра, имеющего $latex \boldsymbol{25. 0 – \;\textbf{k} \Omega} $ сопротивление по шкале 100 В?

3: Найдите сопротивление, которое необходимо включить последовательно с гальванометром $latex \boldsymbol{25,0 – \;\Omega} $, имеющим $latex \boldsymbol{50,0 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность (такая же, как обсуждалась в тексте), чтобы можно было использовать его в качестве вольтметра с полным отсчетом 0,100 В.

4: Найдите сопротивление, которое нужно включить последовательно с гальванометром $latex \boldsymbol{25,0 – \;\Omega} $, имеющим $latex \boldsymbol{50,0 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность (такая же, как рассмотренная в тексте), позволяющая использовать его в качестве вольтметра с полным отсчетом 3000 В. Включите принципиальную схему с вашим решением.

5: Найдите сопротивление, которое необходимо подключить параллельно гальванометру $latex \boldsymbol{25,0 – \;\Omega} $ с чувствительностью $latex \boldsymbol{50,0 – \;\textbf{A}} $ (такой же, как обсуждаемый в тексте), чтобы его можно было использовать в качестве амперметра с полным отсчетом 10,0 А. Включите принципиальную схему с вашим решением.

6: Найдите сопротивление, которое необходимо подключить параллельно гальванометру $latex \boldsymbol{25,0 – \;\Omega} $, имеющему $latex \boldsymbol{50,0 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность (такая же, как рассмотренная в тексте), чтобы можно было использовать его в качестве амперметра с полным отсчетом 300 мА.

7: Найдите сопротивление, которое нужно включить последовательно с $латексным \boldsymbol{10.0 – \;\Omega} $ гальванометром, имеющим $латексный \boldsymbol{100 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность, чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с: (а) показанием полной шкалы 300 В и (б) показанием полной шкалы 0,300 В.

8: Найдите сопротивление, которое необходимо подключить параллельно $латексному \boldsymbol{10.0 – \;\Omega} $ гальванометру с $латексным \boldsymbol{100 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность, чтобы его можно было использовать в качестве амперметра с: (a) показанием полной шкалы 20,0 А и (b) полномасштабным показанием 100 мА. {-5} \;\Omega} $ по шкале 3,00-A и содержит $latex \boldsymbol{10,0 – \ ;\Omega} $ гальванометр. Какова чувствительность гальванометра?

12: Вольтметр $latex \boldsymbol{1.00 – \;\textbf{M} \Omega} $ подключен параллельно $latex \boldsymbol{75.0 – \;\textbf{k} \Omega} $ резистор в цепи. а) Нарисуйте схему соединения. б) Чему равно сопротивление комбинации? (c) Если напряжение на комбинации остается таким же, как и на одном резисторе $latex \boldsymbol{75,0 – \;\textbf{k} \Omega} $, на сколько процентов увеличится ток? (d) Если ток через комбинацию остается таким же, как и через резистор $latex \boldsymbol{75,0 – \;\textbf{k} \Omega} $, на сколько процентов уменьшается напряжение? (e) Являются ли существенными изменения, обнаруженные в частях (c) и (d)? Обсуждать.

13: Латексный \boldsymbol{0,0200 – \;\Omega} $ амперметр включен в цепь последовательно с $латексным \boldsymbol{10,00 – \;\Omega} $ резистором. а) Нарисуйте схему соединения. (b) Рассчитайте сопротивление комбинации. (c) Если напряжение остается таким же на всей комбинации, как и на одном резисторе $latex \boldsymbol{10.00 – \;\Omega} $, на сколько процентов уменьшится ток? (d) Если ток поддерживается таким же через комбинацию, как и через резистор $latex \boldsymbol{10.00 – \;\Omega} $, на сколько процентов увеличится напряжение? (e) Являются ли существенными изменения, обнаруженные в частях (c) и (d)? Обсуждать.

14: Необоснованные результаты

Предположим, у вас есть гальванометр $latex \boldsymbol{40,0 – \;\Omega} $ с чувствительностью $latex \boldsymbol{25,0 – \;\mu \textbf{A}} $. а) Какое сопротивление вы бы включили с ним последовательно, чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с полным отклонением 0,500 мВ? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны?

15: Необоснованные результаты

(a) Какое сопротивление вы бы подключили параллельно $латексному \boldsymbol{40,0 – \;\Omega} $ гальванометру, имеющему
$latex \boldsymbol{25.