測定回路への電圧計の影響
すべてのメーターは、測定している回路にある程度影響を与えます。タイヤ空気圧ゲージが、ゲージを操作するために空気が放出されると、測定されたタイヤ空気圧がわずかに変化するのと同じです。ある程度の影響は避けられませんが、適切なメーター設計によって最小限に抑えることができます。
分圧回路
電圧計は常にテスト対象のコンポーネントと並列に接続されているため、電圧計を流れる電流はテスト対象の回路の全体的な電流に寄与し、測定される電圧に影響を与える可能性があります。完全な電圧計は無限の抵抗を持っているので、テスト中の回路から電流を引き込むことはありません。ただし、完璧な電圧計は教科書のページにのみ存在し、実際には存在しません。現実的な電圧計が回路の測定にどのように影響するかを示す極端な例として、次の分圧回路を取り上げます。
回路に電圧計が接続されていない場合、直列回路の各250MΩ抵抗の両端に正確に12ボルトがあり、2つの等しい値の抵抗が合計電圧（24ボルト）を正確に半分に分割します。ただし、問題の電圧計のリード間抵抗が10MΩ（最新のデジタル電圧計の一般的な量）である場合、その抵抗により、接続時に分圧器の下部抵抗と並列サブサーキットが作成されます。
これにより、低抵抗が250MΩから9.615MΩ（250MΩと10MΩが並列）に効果的に低減され、回路の電圧降下が大幅に変化します。下部の抵抗器の両端の電圧は以前よりもはるかに低くなり、上部の抵抗器の電圧ははるかに高くなります。
測定された分圧器
抵抗値が250MΩと9.615MΩの分圧器は、24ボルトをそれぞれ23.1111ボルトと0.8889ボルトの部分に分割します。電圧計はその9.615MΩ抵抗の一部であるため、0.8889ボルトを示します。
現在、電圧計は接続されている電圧のみを表示できます。 前に下部の250MΩ抵抗の両端に12ボルトの電位が低下したことを「知る」方法はありません。 それはそれを越えて接続されていました。電圧計を回路に接続するという行為自体が回路の一部になり、電圧計自体の抵抗によって分圧回路の抵抗比が変化し、その結果、測定される電圧に影響を与えます。
電圧計はどのように機能しますか？
接続されているタイヤの空気を抜くほど大量の空気を使用するタイヤ空気圧計を使用することを想像してみてください。測定中に圧力計が消費する空気の量は、電圧計の動きが針を動かすのにかかる電流に類似しています。圧力計が作動するのに必要な空気が少なければ少ないほど、テスト中のタイヤの空気が抜けることは少なくなります。電圧計が針を作動させるために引き込む電流が少なければ少ないほど、試験中の回路にかかる負荷は少なくなります。
この効果は読み込みと呼ばれます 、そしてそれは電圧計の使用のすべての例である程度存在します。ここに示されているシナリオは最悪の場合であり、電圧計の抵抗は分圧器の抵抗よりも大幅に低くなっています。ただし、常にある程度の負荷がかかるため、メーターが接続されていない場合、メーターは実際の電圧よりも低い電圧を示します。明らかに、電圧計の抵抗が高いほど、テスト対象の回路の負荷が少なくなります。そのため、理想的な電圧計の内部抵抗は無限大です。
電気機械式ムーブメントを備えた電圧計には、通常、「オーム/ボルト」の範囲の定格が与えられ、ムーブメントの電流引き込みによって生じる回路の衝撃の量を示します。このようなメーターは、さまざまな測定範囲を提供するためにさまざまな値の乗算器抵抗に依存しているため、リード間の抵抗は、設定されている範囲に応じて変化します。一方、デジタル電圧計は、範囲設定に関係なく、テストリード全体で一定の抵抗を示すことが多く（常にではありません）、そのため、通常、「ボルトあたりのオーム」感度ではなく、単に入力抵抗のオームで評価されます。
「1ボルトあたりのオーム」とは、範囲設定の1ボルトあたりのリード間抵抗のオーム数です。 セレクタースイッチで。例として、前のセクションの電圧計の例を見てみましょう。
1000ボルトのスケールでは、合計抵抗は1MΩ（999.5kΩ+500Ω）であり、1000ボルトの範囲あたり1,000,000Ω、または1000オーム/ボルト（1kΩ/ V）になります。このボルトあたりのオームの「感度」定格は、このメーターのどの範囲でも一定のままです。
鋭敏な観察者は、メーターの1ボルトあたりのオーム定格が、ムーブメントのフルスケール電流（この場合は1 mA）という単一の要因によって決定されることに気付くでしょう。 「オーム/ボルト」は、「オーム/ボルト」の数学的な逆数であり、オームの法則によって電流（I =E / R）として定義されます。したがって、本格的な現在 動きの大きさは、設計者が乗算器抵抗を介してどの範囲にメーターを装備するかに関係なく、メーターのΩ/ボルト感度を決定します。この場合、メーターの動きのフルスケール電流定格は1 mAであり、マルチプライヤ抵抗を使用した範囲に関係なく、電圧計の感度は1000Ω/ Vになります。
回路への電圧計の負荷を最小限に抑えるために、設計者はその動きの電流引き込みを最小限に抑えるように努める必要があります。これは、ムーブメント自体を最大感度（フルスケールのたわみに必要な電流が少ない）になるように再設計することで実現できますが、ここでのトレードオフは通常、頑丈さです。感度の高いムーブメントは壊れやすい傾向があります。
もう1つのアプローチは、ムーブメントに送られる電流を電子的にブーストすることです。これにより、テスト対象の回路から引き出す必要のある電流はごくわずかになります。この特別な電子回路は、増幅器として知られています。 、そしてこのように構築された電圧計は増幅された電圧計 。
アンプの内部動作は複雑すぎて現時点では説明できませんが、回路によって測定された電圧を制御できると言えば十分です。 メーターの動きに送られるバッテリー電流の量。したがって、ムーブメントの現在のニーズは、テスト対象の回路ではなく、電圧計の内部にあるバッテリーによって供給されます。アンプは、テスト対象の回路にある程度の負荷をかけますが、通常、メーターの動き自体の数百倍または数千分の1になります。
真空管電圧計（VTVM）
「電界効果トランジスタ」として知られる半導体が登場する前は、このブーストを実行するための増幅デバイスとして真空管が使用されていました。そのような真空管電圧計 、または（VTVM） かつては電子テストと測定のための非常に人気のある機器でした。これは、真空管が露出した非常に古いVTVMの写真です！
現在、ソリッドステートトランジスタアンプ回路は、デジタルメーターの設計で同じタスクを実行します。このアプローチ（測定された信号電流をブーストするために増幅器を使用する）はうまく機能しますが、メーターの設計を非常に複雑にし、初心者の電子工学の学生がその内部の仕組みを理解することをほぼ不可能にします。
電圧計の負荷の問題に対する最後の独創的な解決策は、電位差滴定の解決策です。 または null-balance 楽器。高度な（電子）回路やトランジスタや真空管などの高感度デバイスは必要ありませんが、技術者の関与とスキルがさらに必要になります。電位差測定器では、精密に調整可能な電圧源が測定された電圧と比較され、ヌル検出器と呼ばれる高感度のデバイスが使用されます。 2つの電圧が等しいことを示すために使用されます。
一部の回路設計では、高精度のポテンショメータ 調整可能な電圧を提供するために使用されるため、ラベル電位差 。電圧が等しい場合、テスト対象の回路から引き出される電流はゼロになるため、測定された電圧は影響を受けません。これが最後の例である高抵抗分圧回路でどのように機能するかを簡単に示すことができます。
ヌル検出器
「ヌル検出器」は、非常に小さな電圧の存在を示すことができる高感度のデバイスです。電気機械式メーターの動きがヌル検出器として使用される場合、どちらの極性の電圧を示すのにも役立つように、どちらの方向にもたわむことができるバネ中心の針があります。ヌル検出器の目的は、ゼロの状態を正確に示すことです。 通常の電圧計のように特定の（ゼロ以外の）量を示すのではなく、使用される機器のスケールは関係ありません。ヌル検出器は通常、「ヌル」または「バランス」（ゼロ電圧）状態をより正確に示すために、可能な限り感度が高くなるように設計されています。
非常に単純なタイプのヌル検出器は、オーディオヘッドホンのセットであり、スピーカーは一種のメータームーブメントとして機能します。 DC電圧が最初にスピーカーに印加されると、スピーカーを流れる電流によってスピーカーコーンが移動し、「カチッ」という音が聞こえます。 DC電源が切断されると、別の「カチッ」という音が聞こえます。この原理に基づいて、高感度のヌル検出器は、ヘッドホンと瞬間的な接点スイッチだけで作成できます。
この目的で「8オーム」ヘッドホンのセットを使用する場合は、トランスと呼ばれるデバイスに接続することで、感度が大幅に向上する可能性があります。 。変圧器は、電磁気学の原理を利用して、電気エネルギーパルスの電圧および電流レベルを「変換」します。この場合、使用される変圧器のタイプはステップダウンです。 変圧器であり、低電流パルス（小さな電圧源に接続されているときにプッシュボタンスイッチを開閉することによって生成される）を高電流パルスに変換して、ヘッドホン内のスピーカーコーンをより効率的に駆動します。
この目的には、インピーダンス比が1000：8の「オーディオ出力」トランスが理想的です。トランスはまた、スイッチが開いたときにヘッドホンスピーカーに突然放出されるように磁場に低電流信号のエネルギーを蓄積することによって検出器の感度を高めます。したがって、小さな信号を検出するための「クリック音」が大きくなります。
ヌル検出器として電位差測定回路に接続され、スイッチ/トランス/ヘッドフォンの配置は次のように使用されます。
ヌル検出器の目的は、実験室のバランススケールのように機能し、2つの電圧が等しい場合（ポイント1と2の間に電圧がない場合）を示し、それ以上のことはありません。実験室規模のバランスビームは実際には何の重さもありません。むしろ、それは単に平等を示しています 未知の質量と標準（校正済み）質量の山の間。
同様に、ヌル検出器は、ポイント1と2の間の電圧が等しいことを示すだけです。これは、（キルヒホッフの電圧法則に従って）調整可能な電圧源（斜めの矢印が通るバッテリー記号）の電圧が正確に等しい場合になります。 R2を横切るドロップに。
この機器を操作するには、技術者はヌル検出器が正確にゼロを示すまで高精度電圧源の出力を手動で調整します（ヌル検出器としてオーディオヘッドフォンを使用している場合、技術者はプッシュボタンスイッチを繰り返し押して放し、無音を聞いて示します回路が「平衡」になっていること）、次に、高精度電圧源の両端に接続された電圧計によって示される電源電圧に注意してください。この表示は、下部の250MΩ抵抗の両端の電圧を表しています。
高精度電源を直接測定するために使用される電圧計は、動作に必要なすべての電流を電源が供給するため、非常に高いΩ/ V感度である必要はありません。ヌル検出器の両端の電圧がゼロである限り、ポイント1と2の間の電流はゼロになります。これは、テスト対象の分周器回路に負荷がかからないことを意味します。
このメソッドが適切に実行されると、ほぼゼロの負荷が発生するという事実を繰り返す価値があります。 測定された回路に。理想的には、テストされた回路にまったく負荷をかけませんが、この理想的な目標を達成するには、ヌル検出器の両端の電圧が完全にゼロである必要があります。 、これには、無限に敏感なヌルメーターと調整可能な電圧源からの電圧の完全なバランスが必要になります。
ただし、絶対零度を実現することは実際には不可能ですが、電位差測定回路は、高抵抗回路の電圧を測定するための優れた手法です。また、高度な技術で問題を解決する電子増幅器ソリューションとは異なり、電位差滴定法は、電気の基本法則（KVL）を利用することにより、仮想的に完全なソリューションを実現します。
レビュー：
- 理想的な電圧計の抵抗は無限大です。
- 電圧計の内部抵抗が低すぎると、測定される回路に悪影響を及ぼします。
- 真空管電圧計（VTVM）、トランジスタ電圧計、および電位差測定回路はすべて、測定回路にかかる負荷を最小限に抑える手段です。これらの方法のうち、電位差測定（「ヌルバランス」）技術は、ゼロを配置できる唯一の方法です。 回路に負荷をかけます。
- null検出器 は、小さな電圧または電流に対して最大の感度を実現するように構築されたデバイスです。電位差電圧計回路で不在を示すために使用されます 2点間の電圧の変化。これは、調整可能な電圧源と測定される電圧の間のバランスの状態を示します。
関連するワークシート：
- 基本的な電圧計の使用ワークシート
産業技術