Impactul voltmetrului asupra circuitului

Impactul voltmetrului asupra circuitului

Voltmetrul ideal si voltmetrul real

Orice aparat de masura introdus in circuit modifica comportamentul acestuia din urma intr-o oarecare masura. Desi impactul este inevitabil, acesta poate fi minimizat printr-o proiectare buna a aparatului de masura in cauza.

Din moment ce voltmetrele se conecteaza tot timpul in paralel cu componentul sau componentele aflate sub test, orice curent prin voltmetru va modifica curentul total din circuitul de masurat, ducand inevitabil si la modificarea tensiunii reale din circuit. Un voltmetru ideal poseda o rezistenta interna infinita, astfel incat curentul care trece prin acesta sa fie de 0 A pentru a nu afecta circuitul testat. Totusi, astfel de voltmetre nu exista decat in paginile cartilor, nu si in viata reala!

Efectul voltmetrului asupra circuitului; exemplu

Sa luam ca si exemplu circuitul divizor de tensiune din figura alaturata, ca si un exemplu extrem al efectelor unui voltmetru asupra circuitului de masurat.

Atunci cand voltmetrul nu este conectat in circuit, vom aveam o cadere de tensiune de exact 12 V pe fiecare dintre cei doi rezistori. Totusi, daca voltmetrul considerat in acest exemplu poseda o rezistenta interna intre cele doua sonde de 10 MΩ (o valoare normala pentru un voltmetru digital), aceasta va crea un sub-circuit paralel cu rezistorul inferior al divizorului.

Acest lucru duce la scaderea rezistentei inferioare de la 250 MΩ la 9,61 MΩ (circuit paralel), modificand fundamental caderile de tensiune din circuit.

Un divizor de tensiune cu rezistentele de 250 MΩ, respectiv 9,61 MΩ va diviza o tensiune de 24 V in 23,11 V, respectiv 0,88 V. Din moment ce voltmetrul face parte din rezistenta de 9,61 MΩ, aceasta este si valoarea pe care o va indica: 0,88 V.

Voltmetrul poate indica doar caderea de tensiune dintre punctele in care este conectat. Acesta nu poate "stii" ca inainte de introducerea sa in circuit, in acea locatie exista o cadere de tensiune de 12 V si nu de 0,88 V. Conectarea aparatului de masura in circuit modifica rezistenta circuitului si prin urmare si valoarea caderii de tensiune masurate, aceasta nefiind prin urmare cea reala.

Acest efect este prezent, intr-o anumita masura, ori de cate ori folosim un voltmetru. Scenariul prezentat mai sus este unul extrem, cu o rezistenta a voltmetrului mult mai mica decat rezistenta divizorului de tensiune. Din aceste motive, cu cat rezistenta interna a voltmetrului este mai mare, cu atat efectul acestuia asupra circuitului de masurat va fi mai mic. Din aceasta cauza, un voltmetru ideal poseda o rezistenta infinita. Dar, indiferent de valoarea acestei rezistente, efectul considerat mai sus va fi tot timpul prezent intr-un circuit.

Sensibilitatea voltmetrelor

Impactul creat de voltmetrele electromecanice asupra circuitelor este desemnat prin numarul de ohmi prezenti intre terminalii aparatului pentru fiecare domeniu de tensiune (pozitii diferite ale selectorului). Practic, acesta este un numar exprimat in Ω/V. Voltmetrele digitale poseda de obicei o rezistenta constanta intre sondele aparatului indiferent de domeniu de tensiune ales.

Sa reluam exemplu din sectiunea precedenta. Pe domeniul 1000 V, rezistenta totala este de 1 MΩ (999,5 kΩ + 500Ω), ceea ce inseamna 1 MΩ / 1000 V, sau 1 kΩ/V. Aceasta sensibilitate ramane constanta indiferent de domeniul ales:

domeniul 100 V; sensibilitatea: 100 kΩ / 100 V = 1 kΩ / V
domeniul 10 V; sensibilitatea: 10 kΩ / 10 V = 1 kΩ / V
domeniul 1 V; sensibilitatea: 1 kΩ / 1 V = 1 kΩ / V

Astfel, valoarea exprimata in ohm/volt este o caracteristica principala a voltmetrului, si nu depinde de domeniul selectat. Daca suntem foarte atenti, putem observa ca aceasta valoare este determinata de un singur factor: curentul necesar pentru deplasarea maxima a acului indicator, in acest caz, 1 mA. "Ohm/volt" este inversa matematica a raportului "volt/ohm", ceea ce conform legii lui Ohm, este chiar curentul (I = E / R). Prin urmare, curentul necesar deplasarii maxime dicteaza sensibilitatea ohm/volt a aparatului, indiferent de domeniile de tensiune disponibile si de valorile rezistorilor de multiplicare. In cazul nostru particular, o deplasare maxima pentru valoarea de 1 mA rezulta intr-o sensibilitate de 1000 Ω/V, indiferent de modul de aranjare al rezistorilor de multiplicare.

Pentru minimizarea efectelor asupra circuitelor, curentul de deplasare maxima trebuie sa fie prin urmare cat mai mic. Acest lucru se poate realiza prin reproiectarea aparatului pentru o sensibilitatea maxima (un curent mai mic pentru o deflectie maxima). Variabila ce trebuie luata insa in considerarea este robustetea aparatului: cu cat deplasarea este mai sensibila, cu cat acesta tinde sa fie mai fragil.

Amplificarea curentului

O alta modalitate consta in amplificarea electronica a curentului necesar deplasarii, astfel incat curentul ce este absorbit de catre aparat din circuit sa fie cat mai mic. Acest tip de circuit electronic poarta numele de amplificator.

Nu vom intra in detaliile modului de functionare ala amplificatorului aici, dar putem spune ca circuitul permite tensiunii de masurat sa controleze valoarea curentului prin ampermetru. Astfel, curentul necesar deplasarii acului indicator este generat de o baterie interna si nu de circuitul exterior. Si in acest caz exista un anumit curent absorbit de aparat din circuitul masurat, dar acesta este de sute sau mii de ori mai mic decat curentul absorbit in mod normal de un astfel de aparat fara amplificare.

Detectorul de nul

O ultima solutie, si una foarte ingenioasa, la problema efectului introdus de voltmetru in circuit, il constituie detectorul de nul. Acesta nu necesita un circuit complicat, dar este nevoie de multa pricepere din partea utilizatorului.

Intr-un detector de nul, o sursa de tensiune de precizie, ajustabila, este comparata cu tensiunea de masurat iar aparatul indica diferenta de tensiune dintre cele doua. In cazul in care indicatia este zero (nula), caderea de tensiune din circuitul de test este egala cu tensiunea sursei de tensiune de precizie, iar curentul absorbit din circuit va fi zero. In unele situatii, aparatul este prevazut cu un potentiometru de precizie pentru reglarea fina a tensiunii.

Deoarece scopul unui detector de nul este indicarea precisa a conditiei de zero (volti), si nu indicarea unei valori specifice diferite de zero, scala de valori folosita este irelevanta. Aceste dispozitive sunt proiectate a fi cat mai sensibile cu putinta.

Detector de nul realizat cu casti audio

Un detector de nul extrem de simplu consta dintr-un set de casti, utilizand difuzoarele pe post de "ac indicator". Daca aplicam o tensiune de c.c. unui difuzor, curentul rezultat va deplasa conul acestuia, iar difuzorul va produce un "clic" scurt. Un alt "clic" se poate auzi la deconectarea sursei de c.c.

Luand in considerare acest principiu, un detector de nul sensibil poate fi realizat dintr-o simpla pereche de casti si un intrerupator.

Daca folosim o pereche de casti de 8 Ω, sensibilitatea aparatului poate fi crescuta prin conectarea sa la un transformator coborator de tensiune. La inchidere/deschiderea intrerupatorului, curentul mic de la intrare va avea o valoare mult mai mare la iesirea transformatorului. Rezultatul este un "clic" mai puternic si mai usor de sesizat, chiar si pentru curenti mult mai mici.

Conectat in circuitul cu detector de nul prezentat mai sus, configuratia arata precum in figura alaturata.

Principiul detectorului de nul

Scopul oricarui detector de nul este sa se comporte precum o balanta de laborator, indicand conditia de egalitate ale celor doua tensiuni, sau, altfel spus, lipsa unei caderi de tensiune intre cele doua puncte (1 si 2). O astfel de balanta nu masoara de fapt nimic, ci doar indica egalitatea intre o greutate necunoscuta si un set de greutati calibrate standard.

Asemanator, detectorul de nul indica pur si simplu momentul in care caderea de tensiune intre punctele 1 si 2 este egala (potentialul celor doua puncte este egal). Conform legii lui Kirchhoff pentru tensiune, acest lucru se va intampla atunci cand sursa de tensiune ajustabila este egala cu caderea de tensiune pe rezistorul R₂.

Pentru a utiliza acest instrument, trebuie sa ajustam manual sursa de tensiune prin intermediul unui potentiometru, actionand de fiecare data intrerupatorul, pana in momentul in care detectorul de nul va indica o conditie de zero. Circuitul este echilibrat atunci cand, in urma actionarii intrerupatorului, nu se va mai auzi nici un sunet la casti. Valoarea caderii de tensiune pe R₂ va fi citita de pe un voltmetru conectat la sursa de tensiune de precizie.

Voltmetrul utilizat la bornele sursei de tensiune de precizie nu trebuie neaparat sa posede o sensibilitate Ω/V foarte ridicata, deoarece curentul necesar functionarii acestuia va fi generat de catre sursa. Atata timp cat caderea de tensiune pe detectorul de nul este zero, nu va exista niciun curent intre punctele 1 si 2, impactul voltmetrului asupra circuitului fiind inexistent.

Observatii

Merita sa reamintim faptul ca aceasta metoda, executata perfect, aproape ca nu introduce nicio rezistenta suplimentara in circuitul de masurat. Ideal, aceasta rezistenta ar fi zero, dar pentru atingerea acestui scop, caderea de tensiune pe detectorul de nul ar trebui sa fie exact zero volti. Acest lucru ar fi posibil doar prin intermediul unei metode de detectarea infinit sensibile si o tensiune la fel de precisa din partea sursei de tensiune de precizie. Totusi, in ciuda acestui "neajuns", un astfel de circuit reprezinta o metoda excelenta de masurare a caderilor de tensiune. Si, comparata cu solutia amplificatorului, ce rezolva aceasta problema cu ajutorul tehnologiei avansate, solutia de fata rezolva problema aproape perfect utilizand o lege fundamentala a circuitelor electrice (legea lui Kirchhoff pentru tensiune).