ポテンショメトリック電圧計：最小限の負荷で精密な電圧測定

部品と材料

• 6V電池 2個
• シングルターン 10kΩ 直線性ポテンショメータ（Radio Shack #271-1715）
• 高抵抗値抵抗 2本（各1MΩ以上）
• 高感度電圧検出器（前回の実験で作成したもの）
• アナログ電圧計（前回の実験で作成したもの）

ポテンショメータの抵抗値は柔軟で、1kΩ〜100kΩの範囲なら何でも動作します。本章で以前説明した精密ポテンショメータを作成済みであれば、それがこの演習に最適です。同様に、より大きな抵抗値を使うほど精度が向上します；抵抗値は同一である必要はありません。

まだ高感度電圧検出器を作っていない場合は、先に作成することをお勧めします。自作検出器は低コストながら、高価な機器を使わずに精密な電圧測定を行う方法を示します。デジタルマルチメータをDCミリボルトレンジに設定して代用することもできますが、学習目的ではヘッドホンベースの検出器がより適しています。

参考文献

『Lessons In Electric Circuits』第1巻 第8章：「DC Metering Circuits（直流測定回路）」

学習目標

• 電圧計の負荷効果：その原因と軽減方法を理解する
• ポテンショメータを可変電圧源として使用する
• ポテンショメトリック（ヌルバランス）法を用いた精密電圧測定を適用する

回路図

イラスト

手順

1. 回路図左側に示された2抵抗分圧回路を組み立てます。

2. 2つの高抵抗値抵抗が等しければ、6V電池の電圧は2つの3V降下に分割されます。

3. 電池電圧を電圧計で測定し、次に各抵抗の電圧降下を測定します。

個々の電圧降下の合計が総電池電圧と一致しないことに気づくでしょう。これはキルヒホッフの電圧の法則に違反しているわけではなく、電圧計の負荷効果という典型的な例です。

例えるなら、タイヤゲージを接続するとわずかな空気が漏れてタイヤ圧がわずかに下がります。同様に、電圧計は測定対象の部品両端の電圧をわずかに変化させる電流経路を提供します。

この回路ではテスト抵抗が高抵抗値であるため効果が顕著です。それらを100kΩ、次に10kΩの抵抗に置き換え、電圧読み取り値の変化を観察してください。抵抗を下げると負荷の影響は減りますが、測定精度の犠牲を払うことになります。

アナログ電圧計の代わりにデジタル電圧計で各抵抗を測定してみてください。デジタルメータは一般的に入力インピーダンスが高い（10MΩ以上が多い）ため、消費電流が少なく、真の電圧に近い読み取り値を示します。

より精密なアプローチとして、ポテンショメトリック（ヌルバランス）法を使用します。この技術では、テスト電圧を可変電圧源（ポテンショメータ）と釣り合わせ、高感度ヌル検出器でバランスを検出します。バランスが取れると、電圧計で読み取ったポテンショメータの電圧がテスト電圧と等しくなり、負荷誤差から解放されます。

ポテンショメトリック電圧計回路

「null」とラベルされた円はヌル検出器を表します。どんな高感度メータムーブメントや電圧インジケータでも検出器として機能します；その役割はゼロ電圧差を知らせるだけです。

図示されたように回路を組み立て、高抵抗値抵抗の一方の電圧降下を測定するのに使います。最初は通常のマルチメータをヌル検出器として使いながら手順に慣れてください。ヘッドホンベースの検出器を好む場合は、各テストポイントに一瞬触れ、バランス時に特徴的なクリック音が静寂に変わるのを聞いてください。

注：シングルターンポテンショメータでは精密なヌル調整には粗すぎる場合があります。マルチターンタイプや、前述の精密ポテンショメータ回路の使用を検討してください。

コンピュータシミュレーション

ノード番号付きSPICE回路図：

ネットリスト（以下をpotentiometric.cirというテキストファイルにコピー）：

 Potentiometric voltmeter
v1 1 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 

シミュレーションは、ヌル検出器がゼロを示す、つまりポテンショメータが完全にバランスしたときのみ、テスト電圧が正確であることを示します。その時点で、可変電源はちょうど3.000Vを示し、テスト抵抗の真の電圧降下と一致します。

関連ワークシート

• DC Metrology Worksheet