電位差電圧計

相互参照

電気回路の教訓 、第1巻、第8章：「DCメータリング回路」

学習目標

• 電圧計の負荷について説明するには：その原因と解決策
• 可変電圧源としてポテンショメータを使用する方法を説明するため
• 電圧測定の電位差測定法を説明するため

回路図

イラスト

手順

回路図と図の左側に示されている2抵抗分圧回路を構築します。

2つの高い値の抵抗が等しい値の場合、バッテリーの電圧を半分に分割し、各抵抗の両端で約3ボルトを降下させる必要があります。

電圧計でバッテリー電圧を直接測定してから、各抵抗器の電圧降下を測定します。

電圧計の測定値について何か変わったことに気づきましたか？通常、直列の電圧降下は合計印加電圧に等しくなりますが、この場合、重大な不一致に気付くでしょう。

キルヒホッフの電圧法則は真実ではありませんか？これは、電気回路の最も基本的な法則の1つに対する例外ですか？

番号！何が起こっているのかというと、どちらかの抵抗器に電圧計を接続すると、電圧計自体が変化します。 電圧がメーターが接続されていない場合と同じにならないように回路。

空気圧タイヤの圧力をチェックするために使用される空気圧ゲージの例えを使用するのが好きです。

ゲージがタイヤの充填バルブに接続されると、タイヤから空気が放出されます。

これはタイヤの空気圧に影響を与えるため、ゲージは、ゲージが接続される前のタイヤの圧力よりもわずかに低い圧力を読み取ります。

言い換えれば、タイヤの空気圧を測定するという行為は変化します タイヤの空気圧。ただし、測定中にタイヤから放出される空気が非常に少ないため、圧力の低下が無視できることを願っています。

電圧計も同様に、電圧降下が測定されているコンポーネントの周囲の電流をバイパスすることにより、測定する電圧に影響を与えます。

これは電圧降下に影響しますが、影響はごくわずかであるため、通常は気付かないでしょう。

ただし、この回路では、その影響は非常に顕著です。どうしてこれなの？ 2つの高い値の抵抗をそれぞれ100kΩの値の2つに置き換えて、実験を繰り返してみてください。

それらの抵抗器を2つの10KΩユニットと交換し、繰り返します。低い値の抵抗器での電圧測定値について何に気づきましたか？

これは、回路の抵抗に関連して、回路に対する電圧計の「影響」について何を教えてくれますか？

続行する前に、値の小さい抵抗器を元の値の大きい（> =1MΩ）抵抗器と交換してください。

アナログ電圧計の代わりにデジタル電圧計を使用して、2つの高価値抵抗器の両端の電圧を一度に1つずつ測定してみてください。

デジタルメーターの測定値とアナログメーターの測定値について何に気づきましたか？

デジタル電圧計は通常、内部（プローブ間）抵抗が大きいため、同じ電圧源を測定する場合、同等のアナログ電圧計よりも消費電流が少なくなります。

理想的な電圧計は、テスト対象の回路からゼロ電流を引き出すため、電圧の「影響」の問題は発生しません。

電圧計が2つある場合は、これを試してください。一方の電圧計を一方の抵抗器に接続し、もう一方の電圧計をもう一方の抵抗器に接続します。

取得した電圧の読み取り値は、抵抗値が何であっても、2回使用した1つのメーターから取得した読み取り値とは異なりますが、今回は合計電圧になります。

残念ながら、この方法で得られた電圧測定値が、メーターが接続されていない場合の実際の電圧降下と等しい可能性は低いため、問題の実際的な解決策ではありません。

「完璧な」電圧計を作る方法はありますか？無限の抵抗を持ち、テスト中の回路から電流を引き出さないものですか？

現代の実験室用電圧計は、半導体の「増幅器」回路を使用してこの目標に近づいていますが、この方法は、学生や趣味の人が複製するには技術的に高度すぎます。

はるかに単純ではるかに古い手法は、電位差滴定と呼ばれます。 または null-balance メソッド。

これには、調整可能な電圧源を使用して、測定された電圧の「バランスをとる」ことが含まれます。

非常に感度の高いヌル検出器で示されるように、2つの電圧が等しい場合 、調整可能な電圧源は通常の電圧計で測定されます。

2つの電圧源は互いに等しいため、調整可能な電圧源は電圧計に必要な電流を供給するため、「影響」エラーがないことを除いて、調整可能な電圧源の測定はテスト回路全体の測定と同じです。その結果、テスト対象の回路は影響を受けず、真の電圧降下を測定できます。

次の回路図を調べて、電位差電圧計の方法がどのように実装されているかを確認します。

中に「null」という単語が書かれた円の記号は、null検出器を表します。

これは、任意の感度のメーターの動きまたは電圧インジケーターにすることができます。

この回路での唯一の目的は、ゼロがいつあるかを示すことです。 電圧：調整可能な電圧源（ポテンショメータ）が、テスト対象の回路の電圧降下と正確に等しい場合。

このヌル検出器の感度が高いほど、調整可能なソースを調整してテスト対象の電圧に等しくすることができ、テスト電圧をより正確に測定できます。

図に示すようにこの回路を構築し、テスト回路の高値抵抗の1つでの電圧降下を測定してその動作をテストします。

ポテンショメータを「ヌル」表示に調整してから、ポテンショメータに接続されている電圧計を読み取るプロセスに慣れるまで、最初は通常のマルチメータをヌル検出器として使用する方が簡単な場合があります。

ヘッドホンベースの電圧検出器をヌルメーターとして使用している場合は、テスト対象の回路と断続的に接続および切断し、「カチッ」という音を聞く必要があります。

これを行うには、テストプローブの一方をテスト回路にしっかりと固定し、もう一方のテストプローブをテスト回路の他のポイントに瞬間的に何度も何度も触れ、テスト回路とポテンショメータ。

ヘッドホンからカチッという音が聞こえなくなるまでポテンショメータを調整します。これは「ヌル」または「平衡」状態を示しており、電圧計の表示を読んで、テスト回路の抵抗器の両端でどのくらいの電圧が降下しているかを確認できます。

残念ながら、ヘッドフォンベースのヌル検出器は、ポテンショメータの電圧がより大きいかどうかを示しません。 、または未満 テスト回路の電圧なので、減少を聞く必要があります ポテンショメータを回しながら強度を「クリック」して、電圧を高く調整する必要があるか低く調整する必要があるかを判断します。

1回転（「3/4回転」）のポテンショメータは、調整装置としては粗すぎて、測定回路を正確に「無効」にできない場合があります。

調整精度を高めるために、シングルターンユニットの代わりにマルチターンポテンショメータを使用することも、以前の実験で説明した「精密ポテンショメータ」回路を使用することもできます。

増幅電圧計技術が登場する前は、電位差滴定法はのみでした。 高精度の電圧測定を行う方法。

現在でも、電気規格研究所はこの技術と最新のメーターテクノロジーを利用して、メーターの「影響」エラーを最小限に抑え、測定精度を最大限に高めています。

電位差測定法は、コンポーネント全体に最新のデジタル電圧計を接続するよりも多くのスキルを必要とし、最も正確な測定アプリケーションを除いてすべて廃止されていると見なされていますが、それでも電子工学の新入生にとって貴重な学習プロセスであり、有用です。自宅の実験室で高価な機器が不足している可能性のある愛好家のためのテクニック。

コンピューターシミュレーション

SPICEノード番号を使用した回路：

ネットリスト（次のテキストを逐語的に含むテキストファイルを作成します）：

電位差電圧計v11 0 dc 6 v2 3 0 r1 1 2 1meg r2 2 0 1meg rnull 2 3 10k rmeter 3 0 50k .dc v2 0 6 0.5 .print dc v（2,0）v（2,3） v（3,0）.end 

このSPICEシミュレーションは、R ₂ の両端の実際の電圧を示しています テスト回路、ヌル検出器の電圧、および調整可能な電圧源の両端の電圧。電源は0.5ボルトステップで0ボルトから6ボルトに調整されます。

このシミュレーションの出力では、R ₂ の両端の電圧に気付くでしょう。 は 測定回路が不平衡の場合に大きな影響を受け、ヌル検出器の両端に実質的にゼロの電圧がある場合にのみ真の電圧に戻ります。

もちろん、その時点で、調整可能な電圧源は3.000ボルトの値になります。これは、（影響を受けていない）テスト回路の電圧降下に正確に等しくなります。

このシミュレーションから学ぶべき教訓は何ですか？電位差電圧計がテスト回路への影響を回避することのみ テスト回路との完全なバランス（「ヌル」）の状態にあるとき！

関連するワークシート：

• DC計測ワークシート