Când analizați funcționarea circuitelor electrice și electronice sau când încercați să înțelegeți de ce un circuit nu lucrează conform așteptărilor, în cele din urmă va trebui să utilizați un voltmetru pentru a măsura diferitele nivele de tensiune. Voltmetrele utilizate pentru măsurarea tensiunii sunt în multe forme și dimensiuni, fie analogice, fie digitale, sau ca parte a unui multimetru digital mai frecvent utilizat astăzi.

Voltmetrele pot fi, de asemenea, utilizate pentru măsurarea tensiunii DC, precum și a tensiunilor AC sinusoidale, dar introducerea unui voltmetru ca instrument de măsurare într-un circuit poate interfera cu condițiile sale de stare stabilă.

După cum sugerează și numele său, un „voltmetru” este un instrument utilizat pentru măsurarea tensiunii (V), adică diferența de potențial prezentă între oricare două puncte dintr-un circuit. Pentru a măsura o tensiune (diferența de potențial), un voltmetru trebuie să fie conectat în paralel cu componenta a cărei tensiune doriți să o măsurați. Voltmetrele pot fi utilizate pentru a măsura căderea de tensiune pe o singură componentă sau sursă sau pot fi utilizate pentru a măsura suma căderilor de tensiune pe două sau mai multe puncte sau componente dintr-un circuit.

De exemplu, dacă conectăm un voltmetru la bornele unei baterii de automobil complet încărcate, acesta va indica 12,6 volți. Adică există o diferență de potențial de 12,6 volți între bornele pozitive și negative ale bateriilor. Astfel, tensiunea V este întotdeauna măsurată pe, sau în paralel cu, o componentă a circuitului.

Când este conectat la un circuit, un curent electric curge prin bobină care generează propriul său câmp magnetic (electromagnetism) care reacționează împotriva câmpului magnetic creat de magnetul permanent din jur, determinând astfel mișcarea bobinei. Deoarece galvanometrul răspunde la un flux intern de curent, dacă cunoaștem rezistența internă a bobinei (înfășurare din fir de cupru), putem folosi pur și simplu legea lui Ohm pentru a determina diferența de potențial corespunzătoare care este măsurată.

Construcția aparatului cu bobină-mobilă și magnet permanent

Cantitatea cu care se mișcă bobina electromagnetică, numită „deviere”, este proporțională cu intensitatea curentului care curge prin bobină, necesară pentru a produce câmpul magnetic care deviază acul. În general, există un indicator, sau ac, conectat la bobină, astfel încât mișcarea bobinei face ca indicatorul să fie deviat pe o scară liniară pentru a indica valoarea măsurată, unghiul de deviere fiind proporțional cu curentul de intrare. Astfel, indicatorul unui galvanometru se mișcă ca răspuns la curent.

Arcurile amortizoare de tip mișcare de ceas elicoidală obișnuite sunt utilizate pentru a controla unghiul de deviere prevenind oscilațiile sau mișcările rapide care ar putea deteriora indicatorul, precum și menținerea mișcării bobinei în repaus atunci când nu trece curent prin bobină. În general, mișcarea indicatorului este între zero în stânga și deviația la scală maximă (FSD) în extremitatea dreaptă a scalei. Unele mișcări ale aparatului au un indicator centrat pe arc, poziția de repaus zero fiind la mijlocul scalei, permițând mișcarea indicatorului în ambele direcții. Acest lucru este util pentru măsurarea polarității tensiunii.

Deși această mișcare a aparatului PMMC răspunde liniar la fluxul de curent din bobina-mobilă, poate fi adaptată pentru măsurarea tensiunii prin adăugarea unei rezistențe în serie cu mișcarea bobinelor. Combinația dintre o rezistență în serie și mișcarea bobinei-mobile formează un voltmetru DC care poate da rezultate precise, odată calibrat.

Măsurarea tensiunii

Am văzut în aceste tutoriale că atunci când sarcinile electrice sunt în echilibru, tensiunea dintre oricare două puncte ale unui circuit este zero și dacă un curent (mișcarea sarcinii) circulă prin circuit, o tensiune va exista între două sau mai multe puncte diferite ale circuitului. Folosind un galvanometru, putem măsura nu numai curentul care curge între două puncte, ci și diferența de tensiune dintre ele, conform legii lui Ohm, deoarece aceste mărimi sunt proporționale între ele. Astfel, folosind un voltmetru gradat, putem măsura diferența de potențial între oricare două puncte ale unui circuit.

Dar cum putem converti un aparat care lucrează folosind un curent într-unul care poate fi folosit pentru a măsura o tensiune. Am spus anterior că devierea indicatorului este proporțională cu intensitatea curentului care trece prin bobina sa mobilă. Dacă deviația sa la scară completă (FSD) este înmulțită cu rezistența internă a bobinei-mobile, aparatul poate fi făcut să citească o tensiune în loc de curent, transformând astfel aparatul într-un voltmetru de curent continuu.

Însă, datorită modului de mișcare a bobinei, majoritatea aparatelor PMMC sunt dispozitive foarte sensibile, care pot avea curent de deviere la scală completă, cu IG nominal de până la 100 µA (sau mai puțin). Dacă, de exemplu, valoarea rezistivă a bobinei mobile RG este 500 Ω, atunci tensiunea maximă pe care am putea-o măsura ar fi de numai 50 mV (V = I*R = 100 µA x 500 Ω). Deci, pentru ca mișcarea sensibilă a bobinei unui voltmetru PMMC să măsoare valori de tensiune mai mari, trebuie să găsim o modalitate de a reduce tensiunea măsurată la o valoare pe care aparatul o poate gestiona și acest lucru se realizează prin plasarea unui rezistor, numit multiplicator, în serie cu rezistența bobinei interne a aparatului.

Să presupunem că dorim să folosim galvanometrul de 100 µA, 500 Ω de mai sus pentru a măsura tensiunile circuitului până la 1,0 volt. În mod clar, nu putem conecta aparatul direct pentru a măsura 1 volt, deoarece așa cum am văzut anterior, tensiunea maximă pe care o poate măsura este de 50 milivolți (50 mV). Dar, folosind Legea lui Ohm, putem calcula valoarea rezistorului serie RS necesară, care va produce o mișcare a indicatorului la scală completă atunci când este utilizat pentru a măsura o diferență de potențial de un volt.

Astfel, dacă curentul pentru care galvanometrul dă deviație la scală completă este de 100 µA, atunci rezistența serie RS necesară este calculată ca 9,5 kΩ. Astfel, un galvanometru poate fi transformat într-un voltmetru prin simpla conectare a unei rezistențe suficient de mari în serie cu el, așa cum se arată.

Rezistența serie a voltmetrului

Rețineți că această rezistență serie RS va fi întotdeauna mai mare decât rezistența internă a bobinei RG, pentru a limita intensitatea curentului prin înfășurările bobinei. Combinarea mișcării aparatului cu această rezistență serie externă formează apoi baza unui voltmetru analogic simplu.

Exemplu nr. 1 de voltmetru

Un galvanometru PMMC are o rezistență internă a bobinei de 100 Ω și produce o deviere la scală completă pentru 200 mV. Găsiți rezistența multiplicatoare necesară, astfel încât aparatul să dea o deviere completă atunci când măsurați o tensiune continuă de 5 volți.

Prin urmare, rezistența serie necesară are o valoare de 2,4 kΩ.

Putem folosi această metodă pentru a măsura orice valoare a tensiunii prin schimbarea valorii rezistoarelor multiplicatoare, după cum este necesar, cu condiția să cunoaștem valorile curentului sau tensiunii (IFSD sau VFSD) la deviația la scală completă (FSD) ale galvanometrului. Apoi, tot ce trebuie să facem este să re-etichetăm scala pentru a citi de la zero la noua valoare măsurată a tensiunii.

Acest circuit simplu divizor de tensiune conectat în serie poate fi extins și mai mult pentru a avea o serie de rezistoare „multiplicatoare” diferite în proiectarea acestuia, permițând astfel voltmetrului să fie utilizat pentru a măsura o gamă de nivele de tensiune diferite la răsucirea unui comutator.

Model de voltmetru multi-gamă

Voltmetrul nostru DC simplu de mai sus poate fi extins în continuare prin utilizarea unui număr de rezistențe în serie, fiecare dimensionată pentru un anumit domeniu de tensiune, care poate fi selectată una câte una printr-un singur comutator multipolar, permițând astfel voltmetrului nostru analogic o gamă mai largă de nivele de tensiune cu o singură mișcare. Acest tip de configurație de voltmetru se numește voltmetru multi-gamă, cu intervale selectate în funcție de numărul de poziții ale comutatorului, de exemplu, 4 poziții, 5 poziții etc.

Configurație de voltmetru multi-gamă directă

În această configurație de voltmetru, fiecare rezistor multiplicator RS a voltmetrului multi-gamă este conectat în serie cu aparatul ca mai înainte pentru a da gama de tensiune dorită. Deci, dacă presupunem că aparatul nostru de 50 mVFSD de mai sus este necesar pentru a măsura următoarele game de tensiune de 10V, 50V, 100V, 250V și 500V, atunci rezistoarele serie necesare sunt calculate la fel ca înainte:

Oferind un circuit de voltmetru multi-gamă direct:

În timp ce această configurație de voltmetru direct lucrează foarte bine pentru citirea gamei noastre de tensiuni, valorile rezistoarelor multiplicatoare necesare pentru a obține FSD corectă a aparatului pentru gamele calculate pot da valori rezistive care nu sunt valori standard sau necesită lipirea rezistoarelor împreună pentru a produce valoarea exactă. Valorile noastre calculate de la 99,5 kΩ până la 4,9995 MΩ nu sunt valori obișnuite de rezistor, deci trebuie să găsim o variantă a modelului de voltmetru de mai sus, care ar folosi valori de rezistor disponibile mai frecvent.

Configurație de voltmetru multi-gamă indirectă

Un model mai practic este configurația indirectă de voltmetru în care una sau mai multe dintre rezistențe serie sunt conectate împreună într-un lanț serie cu aparatul pentru a da gama de tensiune dorită. Avantajul este că putem folosi valori standard pentru rezistoarele multiplicatoare. Deci, dacă presupunem din nou aparatul FSD de 50 mV și gamele de tensiune de 10V, 50V, 100V, 250V și 500V, atunci rezistoarele serie multiplicatoare necesare sunt calculate ca:

Oferind un circuit de voltmetru multi-gamă indirect:

Putem vedea cu această configurație indirectă de 5 game, cu cât este mai mare tensiunea de măsurat, cu atât mai multe rezistoare multiplicatoare sunt selectate de comutator. Rezistența totală conectată în serie cu aparatul PMMC va fi suma rezistențelor, ca RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3 ... etc. În mod clar, în timp ce cele două circuite, configurația voltmetrului direct și indirect sunt capabile să citească aceleași nivele de tensiune, utilizarea valorilor standard ale rezistoarelor de 400 kΩ, 500 kΩ, 1M5 Ω și 2M5 Ω face metoda indirectă mai ușoară și mai ieftină de construit.

În mod clar, alegerea valorilor rezistoarelor va depinde în cele din urmă de FSD al galvanometrului utilizat și de nivelele de tensiune care trebuie măsurate. În orice caz, un voltmetru DC analogic multi-gamă simplu poate fi construit prin conectarea unor rezistoare multiplicatoare serie superioare și a unui comutator. Cele mai multe multimetre digitale din zilele noastre sunt cu reglare automată a gamei.

Un ultim punct de remarcat atunci când construiți un voltmetru DC este că un voltmetru ideal nu va avea niciun efect asupra părții de circuit sau componentei măsurate, deoarece va avea o rezistență echivalentă infinită. Dar, în practică, atunci când măsurați tensiunile, conectarea unui voltmetru la un circuit, în special un circuit de înaltă rezistență, poate reduce rezistența efectivă a circuitului și, prin urmare, are ca efect reducerea tensiunii măsurate între cele două puncte.

Pentru a minimiza acest efect de încărcare, trebuie utilizat un aparat cu o sensibilitate ridicată, adică deviația sa la scală completă se realizează cu un curent de deviere mai mic, astfel încât rezistența multiplicatoare utilizată pentru voltmetru să fie cât mai mare posibil pentru a reduce curentul care trece prin aparatul PMMC. Sensibilitatea unui voltmetru este măsurată în ohmi/volt, (Ω/V).