ولت متر

ولت ‌متر یک ابزار اندازه‌گیری است که برای پیدا‌کردن سطح ولتاژ در‌اطراف یک‌مدار‌الکتریکی هنگام اتصال‌موازی با بخشی از مدار‌اندازه‌گیری شده استفاده‌می‌شود

هنگام تجزیه و تحلیل عملکرد مدارهای‌الکتریکی و الکترونیکی‌، یا تلاش برای درک اینکه چرا یک مدار مطابق انتظار کار نمی‌کند.

در نهایت شما باید از ولت متر برای اندازه گیری سطوح مختلف ولتاژ استفاده کنید.

ولت‌ متر هایی که برای اندازه‌گیری ولتاژ استفاده می‌شوند دارای اشکال و اندازه‌های مختلف هستند‌، ‌آنالوگ یا دیجیتال‌.

یا به عنوان بخشی از یک مولتی متر دیجیتال که امروزه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

ولتمترها همچنین می توانند برای اندازه گیری ولتاژ DC و همچنین ولتاژهای AC سینوسی استفاده شوند.

اما ورود ولت متر به عنوان ابزار اندازه گیری در مدار می‌تواند در شرایط حالت پایدار آن تداخل ایجاد کند.

همانطور که از نام آن پیداست ، “ولت متر” ابزاری است که برای اندازه گیری ولتاژ (V) استفاده می شود.

یعنی اختلاف پتانسیل موجود بین هر دو نقطه در مدار.

برای اندازه‌گیری ولتاژ‌(اختلاف پتانسیل)‌، ولت متر باید به طور موازی با قطعه‌ای که می‌خواهید ولتاژ آن را اندازه بگیرید‌،‌متصل شود.

از ولتمترها می توان برای اندازه گیری افت ولتاژ در یک قطعه یا منبع واحد استفاده کرد.

یا می‌توان از آنها برای اندازه‌گیری مجموع افت ولتاژ در دو یا چند نقطه یا قطعه درون مدار استفاده کرد.

برای مثال،‌اگر یک voltmeter را در طول پایانه‌های یک باتری به طور کامل متصل کنیم، ۱۲.۶ ولت را نشان خواهد‌داد.

یعنی تفاوتی در پتانسیل ۱۲.۶ ولت بین باتری مثبت و پایانه‌های منفی وجود دارد.

بنابراین ولتاژ، V همیشه به صورت موازی یا موازی با یک جزء مدار اندازه‌گیری می‌شود.

گالوانومتر

ابتدایی‌ترین نوع ولت متر آنالوگ DC “سیم‌پیچ متحرک مغناطیسی دائمی” (PMMC) متر است که به عنوان D’Arsonval نیز شناخته می‌شود.

این نوع حرکت متر آنالوگ اساساً یک دستگاه اندازه گیری جریان است (گالوانومتر نامیده می شود) که می تواند پیکربندی شود تا به صورت ولت متر یا آمپرمتر کار کند ، تفاوت اصلی نحوه اتصال آنها در یک مدار است.

حرکت سیم پیچ متحرک از یک آهن ربا ثابت و یک سیم پیچ سیم بسیار نازک استفاده می کند.

که اجازه حرکت دارد (از این رو “سیم پیچ متحرک”) در داخل میدان مغناطیسی آهنربا حرکت می کند.

هنگامی که به یک‌مدار متصل می‌شود‌،‌یک جریان الکتریکی از طریق self عبور می‌کند که درون آن میدان‌مغناطیسی خود را ایجاد‌می‌کند‌(الکترومغناطیس).

که در برابر میدان‌مغناطیسی ایجاد شده توسط آهن ربا دائمی اطراف واکنش نشان می‌دهد بنابراین باعث حرکت سیم پیچ می‌شود.

از آنجا که گالوانومتر به جریان داخلی جریان پاسخ می دهد ، اگر مقاومت داخلی سیم پیچ (زخم سیم مسی) را بدانیم ، می توانیم به راحتی از قانون Ohm برای تعیین اختلاف پتانسیل مربوطه که اندازه گیری می شود استفاده کنیم.

ساخت متر سیم پیچ متحرک آهنربا دائمی

مقدار حرکت سیم‌پیچ الکترومغناطیسی‌،‌به اصطلاح‌”انحراف”‌،‌متناسب با قدرت جریان عبوری از سیم‌پیچ مورد‌نیاز برای تولید میدان‌مغناطیسی مورد‌نیاز برای انحراف سوزن است.

به طور کلی یک اشاره گر یا سوزن به سیم پیچ متصل است بنابراین حرکت سیم پیچ باعث می شود که نشانگر در یک مقیاس خطی منحرف شود تا مقدار اندازه گیری شده با زاویه انحراف متناسب با جریان ورودی را نشان دهد.

بنابراین نشانگر گالوانومتر در پاسخ به جریان حرکت می کند.

برای کنترل زاویه انحراف از نوسانات یا حرکات سریع که می‌تواند به اشاره‌گر آسیب بزند و حرکت سیم‌پیچ را در زمانی که هیچ جریانی از سیم‌پیچ عبور نمی‌کند، کنترل کند، از نوع حرکت مارپیچی نازک مارپیچ استفاده می‌شود.

به‌طور کلی حرکت اشاره‌گر بین صفر در سمت چپ و انحراف در مقیاس کامل (FSD) در انتهای سمت‌راست مقیاس است.

بعضی‌از حرکات‌متر دارای یک‌اشاره‌گر فنر‌محور هستند که‌موقعیت استراحت صفر در‌وسط مقیاس است و امکان حرکت اشاره‌گر در‌هر دو‌جهت را دارد.

این برای اندازه گیری ولتاژ هر دو قطب مفید است.

اگرچه این حرکت PMMC متر به صورت خطی به گردش جریان در سیم پیچ متحرک پاسخ می دهد ، اما می توان آن را برای اندازه گیری ولتاژ با اضافه کردن یک مقاومت سری با حرکت سیم پیچ ، سازگار کرد.

ترکیبی از یک‌مقاومت سری با حرکت‌متر سیم‌پیچ متحرک یک‌ولت‌متر DC را تشکیل می‌دهد که می‌تواند نتایج‌دقیق را یک‌بار کالیبره کند.

اندازه گیری ولتاژ

ما در این آموزشها دیده‌ایم که وقتی بارهای‌الکتریکی در تعادل هستند‌، ولتاژ بین هر دو نقطه از‌مدار صفر است .

اگر جریانی (حرکت بار) در اطراف مدار‌جریان یابد‌، ولتاژ بین دو یا چند نقطه مختلف  از مدار وجود خواهد داشت.

با استفاده از گالوانومتر‌،‌ما می‌توانیم نه تنها گردش جریان بین دو نقطه بلکه اختلاف ولتاژ بین آنها را اندازه‌گیری کنیم.

مطابق قانون Ohm ، زیرا این مقادیر متناسب با یکدیگر هستند.

بنابراین با استفاده از ولت متر مدرج می توان اختلاف پتانسیل بین هر دو نقطه از مدار را اندازه‌گیری کرد.

اما‌چگونه می‌توانیم یک‌متر را که با استفاده از جریان کار می‌کند به یک‌متر تبدیل کنیم که بتواند‌ولتاژ را اندازه‌گیری کند.

قبلاً گفتیم که انحراف سیم‌پیچ متحرک آهن ربا دائمی متناسب با قدرت جریان عبوری از سیم پیچ متحرک آن است.

اگر انحراف در‌مقیاس کامل آن (FSD) در مقاومت داخلی سیم‌پیچ ‌های متحرک ضرب شود،‌می‎توان متر را به جای ولتاژ خواند.

بنابراین سیم پیچ متحرک مغناطیسی متحرک را به یک ولت متر DC تبدیل می کند.

اما به دلیل طراحی حرکت سیم پیچ ، اکثر کنتورهای PMMC دستگاه های بسیار حساسی هستند که می توانند جریان انحرافی در مقیاس کامل داشته باشند ، درجه بندی IG تا 100 μA (یا کمتر) باشد.

به عنوان مثال:

اگر مقاومت مقاومت سیم پیچ متحرک RG 500Ω باشد ، حداکثر ولتاژ در مقیاس کامل که می توانیم اندازه گیری کنیم فقط 50 میلی ولت است (V = I * R = 100μA x 500Ω).

بنابراین برای اینکه حرکت حساس سیم پیچ ولت متر PMMC مقادیر ولتاژ بالاتر را اندازه گیری کند.

باید راهی برای کاهش ولتاژ اندازه گیری شده به مقداری که متر می تواند تحمل کند پیدا کنیم .

و این با قرار دادن یک مقاومت‌، به نام ضریب‌، حاصل می‌شود‌، به صورت سری با مقاومت سیم پیچ داخلی.

بیایید فرض کنیم که ما می‌خواهیم از گالوانومتر 100uA ، 500Ω بالا برای اندازه‌گیری ولتاژ مدار تا 1.0 ولت استفاده‌کنیم.

واضح است که ما نمی توانیم مستقیماً متر را برای اندازه گیری 1 ولت وصل کنیم.

زیرا همانطور که قبلاً مشاهده کردیم ، حداکثر ولتاژ اندازه گیری آن 50 میلی ولت (50 میلی ولت) است.

اما با استفاده از قانون Ohm می توان مقدار مقاومت سری ، RS مورد نیاز را محاسبه کرد.

که هنگام اندازه گیری اختلاف پتانسیل یک ولت ، یک حرکت متر در مقیاس کامل ایجاد می کند.

بنابراین اگر جریانی که گالوانومتر برای آن انحراف در‌مقیاس کامل ایجاد‌می‌کند‌100uA باشد‌،‌مقاومت سری مورد نیاز R برابر 9.5kΩ محاسبه می‌شود.

بنابراین یک گالوانومتر می‌تواند به سادگی با اتصال یک مقاومت کافی به اندازه کافی بزرگ به صورت سری و مطابق تصویر به ولت متر تبدیل شود.

مقاومت سری ولت متر

توجه داشته باشید که این مقاومت سری ، RS همیشه بالاتر از مقاومت داخلی سیم پیچ ، RG خواهد بود تا مقاومت جریان را از طریق سیم پیچ های سیم پیچ محدود کند.

سپس ترکیب حرکت متر با این مقاومت سری خارجی اساس یک ولت متر آنالوگ ساده را تشکیل می دهد.

مثال شماره یک ولت متر

یک گالوانومتر PMMC دارای‌مقاومت سیم پیچ داخلی 100Ω است و برای 200 میلی ولت یک انحراف در‌مقیاس کامل ایجاد می‌کند.

مقاومت ضرب مورد نیاز را پیدا کنید تا در هنگام اندازه‌گیری ولتاژ DC 5 ولت‌، متر انحراف کامل ایجاد کند.

بنابراین مقاومت سری مورد نیاز مقدار 2.4kΩ دارد

ما می‌توانیم از این روش برای اندازه‌گیری هر‌مقدار ولتاژ با تغییر مقدار مقاومت‌های چند برابر در صورت لزوم استفاده کنیم.

در صورتی که از مقدار جریان یا ولتاژ انحراف در مقیاس کامل (FSD) (IFSD یا VFSD) گالوانومتر مطلع شویم.

سپس تنها کاری که باید انجام دهیم این است که مقیاس را دوباره علامت گذاری کنیم تا از صفر به مقدار ولتاژ اندازه گیری شده جدید بخوانیم.

این مدار‌تقسیم ولتاژ ساده متصل به سری می‌تواند بیشتر گسترش یابد تا طیف وسیعی از مقاومت‌های مختلف‌”ضرب”‌را در‌طراحی خود داشته‌باشد.

بدین ترتیب اجازه می‌دهد تا از ولت متر برای اندازه‌گیری طیف وسیعی از سطح ولتاژ در یک ضربه سوئیچ استفاده‌شود.

طراحی ولت متر با محدوده های مختلف

روش ساده DC ما از بالا را می توان با استفاده از چند مقاومت سری گسترش داد.

که هر کدام برای یک تغییر ولتاژ خاص، که می‌تواند یک – یک با یک سوییچ چند قطبی انتخاب شود.

بنابراین اجازه می‌دهد تا voltmeter های آنالوگ ما طیف وسیعی از سطوح ولتاژ را با یک حرکت واحد اندازه‌گیری کنند.

به این نوع پیکربندی ولت متر ، ولت متر چند رده گفته می شود که دامنه ها بسته به تعداد موقعیت های سوئیچ ، مثلاً 4 موقعیت ، 5 موقعیت و غیره انتخاب می شوند.

پیکربندی ولتمتر با چند دامنه مستقیم

در این پیکربندی ولت متر برای هر مقاومت چند برابر ، RS ولت متر مولتی رنج به ترتیب با متر مانند قبل متصل می شود تا دامنه ولتاژ مورد نظر را بدست آورد.

بنابراین اگر فرض کنیم 50 میلی ولت FSD متر ما از بالا برای اندازه گیری دامنه های ولتاژ زیر 10 ولت ، 50 ولت ، 100 ولت ، 250 ولت و 500 ولت لازم باشد ، مقاومت های سری مورد نیاز همانند قبل محاسبه می شوند:

دادن مدار ولت متر مستقیم مولتی رنج از:

در حالی که این پیکربندی مستقیم ولت متر برای خواندن دامنه ولتاژ ما بسیار خوب عمل می کند.

مقادیر مقاومت ضرب مورد نیاز برای بدست آوردن FSD صحیح کنتور برای دامنه های محاسبه شده می تواند مقادیر مقاومتی را ارائه دهد که مقادیر استاندارد ترجیحی نیستند یا نیاز به مقاومت در برابر هم دارند برای تولید مقدار دقیق.

مقادیر محاسبه شده ما از 99.5kΩ تا 4.9995MΩ مقادیر مقاومت معمول نیستند.

بنابراین ما باید یک تغییر از طرح ولت متر فوق را پیدا‌کنیم که از‌مقادیر مقاومت معمول‌تر در دسترس استفاده کند.

پیکربندی ولت متر چند برد غیر مستقیم

یک طراحی عملی تر ، پیکربندی ولت متر غیر مستقیم است.

که در آن یک یا چند مقاومت سری به صورت زنجیره ای سری با متر به یکدیگر متصل می شوند تا دامنه ولتاژ مورد نظر را بدست آورند.

در اینجا مزیت این است که می توانیم از مقادیر استاندارد ترجیحی برای مقاومت های چند برابر استفاده کنیم.

بنابراین اگر مجدداً فرکانس 50 میلی ولت FSD و دامنه ولتاژ‌10‌ولت‌،‌50‌ولت‌،‌100‌ولت‌، 250 ‌ولت و 500 ‌ولت را فرض کنیم.

مقاومت های چند برابر کننده سری مورد نیاز محاسبه می شوند:

دادن مدار ولت متر چند برد غیرمستقیم از:

سپس می‌توانیم با‌این پیکربندی ولتاژ 5 برد غیرمستقیم ببینیم‌،‌هرچه ولتاژ بیشتری اندازه‌گیری شود‌، مقاومت های چند‌برابر بیشتری‎توسط سوئیچ انتخاب می‌شوند.

کل مقاومت متصل به سری با متر PMMC مجموع مقاومتها خواهد بود.

زیرا RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3… و غیره ، استفاده از مقادیر مقاومت استاندارد و ترجیحی مقاومت های 400kΩ ، 500kΩ ، 1M5Ω و 2M5Ω ساخت روش غیر مستقیم را آسان تر و ارزان تر می کند.

واضح است که انتخاب مقادیر مقاومت در نهایت به FSD گالوانومتر استفاده شده و سطح ولتاژ بستگی دارد.

در هر‌صورت می‌توان یک ولت متر DC آنالوگ چند‌برد ساده را با‌اتصال مقاومت های چند‌برابر کننده سری‌بالاتر و یک‌سوئیچ ساخت.

این روزها بیشتر مولتی مترهای دیجیتال محدوده خودکار دارند.

یک نکته نهایی که باید در هنگام ساختن ولت متر DC به آن توجه کنید این است که ولت متر ایده آل تاثیری در بخشی از مدار یا قطعه اندازه گیری شده نخواهد داشت زیرا دارای مقاومت معادل بی نهایت خواهد بود.

اما در عمل‌،‌هنگام اندازه‌گیری ولتاژ‌،‌اتصال ولت متر به مدار‌،‌به ویژه مدار با مقاومت بالا‌،‌می‌تواند مقاومت موثر مدار را کاهش دهد.

و بنابراین تأثیر ولتاژ اندازه گیری شده بین دو نقطه را کاهش می دهد.

برای به حداقل رساندن این اثر بارگیری ، از یک متر با حساسیت بالا ، یعنی انحراف در مقیاس کامل آن با جریان منحرف کمتر استفاده می شود تا مقاومت چند برابر مورد استفاده برای ولت متر ، تا حد ممکن برای کاهش جریان باشد از کنتور PMMC عبور می کند. حساسیت یک ولت متر در اهم / ولت (Ω / V) اندازه گیری می شود.