精密ボルトメーターレンジの設計：高感度ムーブメントからフルスケール読み取りまで

ほとんどのメータームーブメントは高感度です。例えば一部のダルソンバルムーブメントは、フルスケール偏向電流が50µA、内部抵抗が1kΩ未満とされています。これによりムーブメント単体での直読フルスケール電圧はわずか50mV（50µA × 1kΩ）に制限されます。より高い電圧を測る実用的なボルトメーターを作るには、入力電圧を減衰させ、安全な一部だけがムーブメントに達するようにしなければなりません。

ダルソンバルムーブメントの例

フルスケール偏向1mA、コイル抵抗500Ωのダルソンバルムーブメントを考えます。オームの法則で、このムーブメントをフルスケールまで駆動する電圧は：

E = I R
E = (1 mA)(500 Ω) = 0.5 V

つまり、裸のムーブメントでは最大0.5Vまでしか読めません。これを超えるレンジに拡張するには、ムーブメント両端の電圧を制限しつつ、メーターがより高い印加電圧を表示できる比例回路が必要です。

直列に抵抗、いわゆる倍率抵抗（マルチプライヤー）を追加すると、ムーブメントは分圧回路の一部になります。直列ペアに印加された全電圧は倍率抵抗とムーブメントで分けられ、コイルには適切な分圧のみが達します。

倍率抵抗の計算

この1mA、500Ωのムーブメントで、印加電圧10Vでフルスケールにしたいとします。まず、2つの直列素子についてE/I/R表を作ります：

ムーブメントがフルスケール（1mA）で、全印加電圧が10Vのとき、表はこうなります：

倍率抵抗を求める一般的な2つの方法があります：

• 全抵抗法： R_total = E/I = 10V/1mA = 10kΩ。ムーブメントの500Ωを引いて R_multiplier = 9.5kΩ。
• 電圧降下法： ムーブメントでの降下は0.5V（E=IR）。残りの9.5Vが倍率抵抗に降下。R = E/I で R_multiplier = 9.5kΩ。

どちらでも9.5kΩの倍率抵抗が必要と分かります。リード間に10Vを印加すると1mAが流れ、ムーブメントにはちょうど0.5Vがかかり、針はフルスケールを指します。メーターの目盛を0-10Vに書き換えれば、ユーザーは内部分圧を知らずに正しい10ボルト読み取りを得られます。

このように、高感度ムーブメントが精密抵抗ネットワークによって「騙され」、より大きな電圧を表示するようになります。アンメーターは並列シャント抵抗で電流を分流しますが、基本原理は同じです。

マルチレンジボルトメーターの設計

単一ムーブメントで複数の電圧レンジを提供するには、マルチ極セレクタースイッチで異なる倍率抵抗を切り替えます。1mA、500Ωのムーブメントで作る典型的な4レンジボルトメーター（1V、10V、100V、1kV）では、以下の抵抗値を使います：

これらの値はそのままでは入手困難なことが多いため、設計者は段階的アプローチで標準抵抗値を組み合わせて必要総抵抗を作ります。1kVレンジでは、セレクターが900kΩ、90kΩ、9kΩ、500Ωの直列スタックを接触させます：

これらを足すと必要な999.5kΩちょうどになります：

R_total = R4 + R3 + R2 + R1 = 900kΩ + 90kΩ + 9kΩ + 500Ω = 999.5kΩ

ユーザーから見れば、メーターは全レンジで同じように振る舞い、目盛ラベルだけが変わります。

復習

• ボルトメーターの拡張レンジは、分圧器を形成する直列倍率抵抗の追加で実現する。
• 各レンジは異なる抵抗値、または標準値の組み合わせを使用する。
• ムーブメントの感度を保ちながら高電圧測定を可能にする。

関連ワークシート

• ボルトメーター設計ワークシート
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