Voltmetrul

Voltmetrul

Limitari ale circuitelor de masura

Majoritatea aparatelor de masura sunt dispozitive foarte sensibile. Unele modele, precum D'Arsonval, necesita un curent de doar 50 µA pentru a duce acul indicator in pozitia maxima a scalei de valori; rezistenta interna a acestor tipuri de aparate nu este mai mare de 1000 Ω. In consecinta, un astfel de voltmetru poate masura o tensiune maxima de doar 50 mV (50 µA X 1000 Ω), pentru ca la aceasta valoare, acul indicator este in pozitia sa maxima (dreapta) si nu se mai poate deplasa. Pentru a putea realiza voltmetre practice, cu capabilitati de masurare a unor tensiuni mult mai mari, folosind aceste dispozitive sensibile, trebuie gasita o metoda de reducere a deplasarii acului indicator.

Modelul D'Arsonval

Sa luam ca si prim exemplu un dispozitiv tip D'Arsonval, cu o rezistenta interna a bobinei de 500 Ω, si a carei deplasare maxima (D.M.) se realizeaza pentru un curent de 1 mA.

Aplicand legea lui Ohm, putem determina tensiunea necesara deplasarii acului indicator la valoarea maxima:

Daca am dori sa folosim acest aparat pentru masurarea tensiunilor ce nu depasesc o jumatate de volt, aceasta configuratie ar fi mai mult decat suficienta. Dar pentru a masura tensiuni peste aceasta valoare, trebuie sa aducem unele modificari. Pentru a obtine o deplasare observabila a acului pentru o valoare a tensiunii de peste 0,5 V, este nevoie ca doar o parte din tensiunea de masurat sa se regaseasca pe bobina interna. Desigur, va trebui sa modificam si scala aparatului de masura, astfel incat sa existe o legatura directa intre deplasarea acului indicator si valoarea reala a tensiuni masurate.

Introducerea unui divizor de tensiune

Aceasta operatie se poate realiza foarte usor cu ajutorul unui divizor de tensiune. Stiind ca un divizor de tensiune se realizeaza cu ajutorul rezistorilor conectati in serie, tot ceea e trebuie sa facem este sa conectam un rezistor in serie cu rezistenta interna a configuratiei initiale (inclusa in dispozitiv), rezultatul fiind un divizor de tensiune format din doi rezistori.

Rezistorul serie poarta numele de "rezistor de multiplicare" datorita faptului ca multiplica valoarea tensiunii ce poate fi masurata. Determinarea valorii rezistentei este usoara daca suntem familiarizati cu analiza circuitelor serie. De exemplu, sa determinam valoarea R_multiplicare pentru ca dispozitivul de mai sus (1 mA, 500 Ω) sa poata masura tensiuni de pana la 10 V.

Putem folosi metoda tabelului pentru a ne usura calculele.

Cunoscand faptul ca deplasarea va fi maxima pentru un curent de 1 mA, precum si faptul ca tensiunea la care dorim ca acest lucru sa se intample este de 10 V (circuit serie, valoare totala), putem completa tabelul astfel.

Exista mai multe metode de determinare a rezistentei de multiplicare. O varianta presupune determinarea rezistentei totale a circuitului aplicand legea lui Ohm pe coloana "total" (R = E / I), scazand apoi valoarea de 500 Ω a deplasarii pentru a obtine valoarea R_multiplicare. O a doua metoda consta in determinarea caderii de tensiune pe rezistenta interna atunci cand deplasarea acului indicator este maxima (E = IR), caderea de tensiunea pe rezistorul de multiplicare fiind egala cu diferenta dintre caderea de tensiune totala si caderea de tensiune pe rezistenta interna.

Ultimul pas consta in aplicarea legii lui Ohm (R = E / I) pentru determinarea rezistentei rezistorului de multiplicare.

Indiferent de metoda folosita, raspunsul final este acelasi (9,5 kΩ). Putem aplica ambele metode, pentru a ne asigura ca rezultatul final este corect.

Cu o cadere de tensiune de exact 10 V intre terminalii aparatului de masura, curentul prin bobina interna va fi de exact 1 mA, acest curent fiind limitat de rezistorul de multiplicare si de rezistenta interna a bobinei. Caderea de tensiune pe bobina va fi de exact 0,5 V, iar deplasarea acului indicator va fi maxima (spre dreapta).

Daca am modifica si scala astfel incat valorile acesteia sa fie cuprinse intre 0 si 10 V (in loc de 0 si 1 mA), orice persoana care va citi indicatia aparatului o va interpreta ca fiind 10 V. Nu este necesar ca utilizatorii voltmetrului sa cunoasca faptul ca aparatul foloseste doar o fractiune din tensiunea totala de masurat (10 V) a sursei externe. Tot ceea ce conteaza este ca circuitul sa functioneze corect pentru a putea indica tensiunea totala aplicata.

Acesta este intr-adevar si modul de realizare si utilizare al aparatelor de masura: dispozitivul de detectare al marimii de masurat este construit astfel incat sa fie necesara doar o cantitate foarte mica de tensiune si de curent pentru functionarea acestuia, pentru o sensibilitatea cat mai ridicata. Aceasta configuratie este apoi conectata la un circuit divizor realizat cu rezistori de precizie, pentru a putea indica o tensiune sau un curent mult mai mari.

Rezistori de multiplicare si selectorul

In general, este foarte utila prezenta mai multor astfel de circuite divizoare, pentru a putea masura o plaja destul de larga de valori folosind acelasi mecanism de baza pentru detectarea semnalului. Acest lucru se poate realiza printr-un comutator multi-polar si cativa rezistori de multiplicare, fiecare pentru o anumita banda de tensiuni, conform figurii alaturate.

Comutatorul cu cinci pozitii intra in contact doar cu cate un rezistor deodata. In pozitia de jos, acesta nu face contact cu niciun rezistor, fiind de fapt in pozitia "oprit". Fiecare rezistor realizeaza o deplasare maxima diferita a voltmetrului, si toate se bazeaza pe aceleasi caracteristici principale (1 mA, 500 Ω).

Cu o astfel de varianta, valoarea fiecarui rezistor este determinata folosind aceiasi metoda utilizata mai sus, cunoscand tensiunea totala necesara in fiecare caz. Pentru un voltmetru cu scala tensiunilor de 1 V, 10 V, 100 V si 1000 V, rezistentele de multiplicare sunt conform figurii alaturate.

Putem observa ca valorile rezistorilor de multiplicare sunt putin ciudate. Este putin probabil sa gasim un rezistor de precizie cu o valoare de 999,5 kΩ, astfel incat suntem nevoiti sa folosim o alta configuratie.

Cu fiecare pas, tot mai multi rezistori sunt conectati in circuit prin intermediul comutatorului (selectorului), astfel ca rezistenta totala va fi egala cu suma rezistentelor individuale. De exemplu, atunci cand comutatorul se afla in pozitia "1000 V", stim din exemplu precedent ca avem nevoie de o rezistenta de 999,5 kΩ. Folosind configuratia anterioara, aceasta este exact valoarea obtinuta:

Avantajul consta, desigur, in faptul ca rezistorii de 900 kΩ, 90 kΩ si 9 kΩ sunt mult mai usor de procurat decat cei precedenti (999,5 kΩ, 99,5 kΩ si 9,5 kΩ). Din punct de vedere functional, nu exista nicio diferenta intre cele doua configuratii prezentate.