V-mittarin toiminta

Useimmat mittarit ovat herkkiä laitteita. Volttimittarin täysi näyttämä saatetaan saavuttaa jo 50 mV jännitteellä. Jotta tällä herkällä koneistolla voitaisiin mitata suurempia jänntteitä, täytyy mittarin herkkyyttä jotenkin pienentää.

Aloitetaan esimerkkimme tapauksella, jossa 1 mA virta saa 500 ohm kelan kanssa mittariin täyden näyttämän:

Ohmin lain mukaan (E=IR), voidaan laskea, kuinka suuri jännite tekee tässä mittarissa täyden näyttämän

E = I R

E = (1 mA)(500 ohm)

E = 0.5 volts

Jotta voitaisiin mitata suurempia jännitteitä, tarvitaan jotain lisää. Tarvitaan systeemi, jolla saadaan mittarikoneistolle vain osa mittariin sisään tulevasta jännitteestä. Näin pystytään mittarilla mittaamaan suurempia jännitteitä. Nyt joudutaan laatimaan mittarille uusi asteikko, kun tällä mittarilla ruvetaan jännitteitä mittaamaan.

Miten tuo käytännössä toteutetaan? Tarvitaan jännitteen jakaja mittarin kelan eteen. Tämä jännitteenjakokytkentä tehdään resistanssien sarjaankytkennällä. Toisena vastuksena on kelan sisäinen vastus ja toisena erillinen lisävastus.:

Sarjavastusta sanotaan "multiplier-vastukseksi", koska se moninkertaistaa mittarin työskentelyalueen jakamalla mitattavan jännitteen kahteen osaan, joista vain toinen vaikuttaa itse mittarikoneistoon.

Esimerkiksi tehdään mittari, jolla saadaan 1 mA virralla 500 ohm kelassa täysi näyttämä 10 V mitattavalla jännitteellä. Ratkaistaan Ohmin lailla E=I/R tarvittavan komponentin suuruus seuraavan taulukon avulla:

Kun tiedetään, että mittarissa on oltava täysi näyttö 1 mA virran kulkiessa sen läpi ja että tämä täytyy tapahtua, kun mittariin (jännitteenjakovastus mukaan luettuna) vaikuttaa 10 V jännite, voidaan taulukko täyttää seuraavasti:

On muutama keino selvittää etuvastuksen koko. Eräs keino tässä: lasketaan koko virtapiiri Ohmin lain avulla (R=E/I). Sitten vähennetään siitä 500 ohm, jolloin saadaan tulokseksi etuvastuksen suuruus:

Toinen tapa ratkaista sama resistanssin arvo on laskea jännitehäviöiden avulla. Lasketaan mittarin kelan jännitehäviö ja sitten vähennetään se koko mitattavasta jännitteestä. Näin saadaan etuvastuksen osalle tuleva jännitehäviö. Sitten vain Ohmin lailla lasketaan tarvittava etuvastuksen resistanssi (R=E/I) :

Tämäkin menetelmä antaa tietenkin saman vastauksen (9.5 kohm).

Kun tämä mittarikonstruktio kytketään ulkoiseen 10 V jännitteeseen, kulkee mittarin läpi 1 mA virta ja mittarin osoitus on 10 V. Mittarin etuvastus ottaa kaiken yli 0,5 V jännitteen kontolleen. Mittarin asteikko on nyt 0 - 10 V (0 - 1 mA asemesta).

Tssä on esitetty yksinkertaisen jännitemittarin rakenne. Amppeerimittarit ovat suurinpiirtein samanlaisia sillä erotuksella, että osa virrasta ohjataan mittarin ohi sivuvastuksella, joka kytketään mittarin kelan rinnalle. Jännitemittarilla siis lisävastus kytkettiin keelan kanssa sarjaan.

On käytännöllistä, että mittarin mittausaluetta pystyy muuttamaan ja nain saadaan samaan mittariin "useita eri mittareita" yksinkertaisen mekaanisen kytkimen avulla. Tämä tehdään moninapaisella kiertokytkimellä ja usealla etuvastuksella, jotka kukin on mitoitettu omaa jännitealuettaan varten.:

Viisiasentoinen kytkin kytkee vain yhden vastuksen kerrallaan mukaan mittausvirtapiiriin. Alimmassa asennossa se ei tee kytkentää lainkaan mittarin kelalle. Näin saadaan aikaan mittarin off-asento. Tällaisella monialueisella mittarilla täytyy olla myös yhtä monta asteikkoa kuin on etuvastuksia, jotta mitattavasta jännitteestä saadaan lukema.

Tällaisen mittarin vastukset mitoitetaan samalla tavalla kuin edellä mitoitettiin yksinkertaisen V-mittarin etuvastus. Volttimittarille, jonka alueet ovat 1 V, 10 V, 100 V, ja1000 V, etuvastusten koot ovat seuraavanlaisia:

Nuo vastusarvot ovat laskennallisia. Käytännössä vastukset joudutaan valitsemaan vastusten standardiarvoista. Siis esimerkiksi 999.5 kohm vastusta ei mittarista löydä. Alla tähän mittariin uudet vastusten arvot:

Edellä oleva kytkentä on erikoinen myös siinä suhteessa, että siinä ei ole enää jokaista aluetta varten omaa etuvastusta, vaan kaikki etuvastukset ovat sarjassa, ja ne kytketään kiertokytkimellä mukaan kytkentään siten, että vastusketjusta koostuu aina tarvittava ohmimäärä kullekin alueelle. Esimerkiksi 1000 V alueen etuvastus koostuu kaikista osavastuksista, jotka ovat keskenään sarjassa. Tarvitaan etuvastuksen reisstanssiksi 999.5 kohm. Sarjakytkennästä saadaan täsmälleen tuo ohmimäärä:

RTotal = R4 + R3 + R2 + R1

RTotal = 900 kohm + 90 kohm + 9 kohm + 500 ohm

RTotal = 999.5 kohm

On siis huomattava, että kaikki nämä osavastukset ovat resistansseiltaan standardikokoisia verrattuna aiemmissa kytkennöissä oleviin pelkästään suoraan laskennan tuloksina saatuihin arvoihin (999.5k,

99.5k, 9.5k). Tällä asialla ei ole mittarin tarkkuuden kannalta merkitystä.

YHTEENVETO:

Monialueinen volttimittari on tehty kytkemällä herkän mittauskoneiston kanssa sarjaan jännitteenjakovastukset, jolloin mitattava jännite jakaantuu etuvastuksen ja mittarikoneiston kesken.