Vôn kế

Vôn kế là gì? Vôn kế là dụng cụ đo lường dùng để tìm các mức điện áp xung quanh một đoạn mạch điện khi mắc song song với một phần của đoạn mạch đang đo.

Khi phân tích hoạt động của các mạch điện và điện tử, hoặc cố gắng hiểu lý do tại sao một mạch không hoạt động như mong đợi, cuối cùng bạn sẽ cần sử dụng Vôn kế để đo các mức điện áp khác nhau. Vôn kế được sử dụng để đo điện áp có nhiều hình dạng và kích cỡ, tương tự hoặc kỹ thuật số, hoặc là một phần của đồng hồ vạn năng kỹ thuật số ngày nay được sử dụng phổ biến hơn.

Vôn kế cũng có thể được sử dụng để đo điện áp một chiều cũng như điện áp xoay chiều hình sin nhưng việc đưa vôn kế làm dụng cụ đo vào mạch có thể ảnh hưởng đến điều kiện trạng thái ổn định của nó.

Như tên gọi của nó, “Vôn kế” là một dụng cụ được sử dụng để đo điện áp (V), là hiệu điện thế hiện diện giữa hai điểm bất kỳ trong mạch. Để đo hiệu điện thế (hiệu điện thế), vôn kế phải được nối song song với linh kiện có điện áp bạn muốn đo. Vôn kế có thể được sử dụng để đo điện áp rơi trên một thành phần hoặc nguồn cung cấp, hoặc chúng có thể được sử dụng để đo tổng điện áp giảm trên hai hoặc nhiều điểm hoặc thành phần trong mạch.

Ví dụ, nếu chúng ta kết nối một vôn kế qua các cực của pin ô tô đã được sạc đầy, nó sẽ chỉ ra 12,6 vôn. Đó là có sự khác biệt về điện thế 12,6 vôn giữa các cực dương và cực của pin. Do đó, điện áp V luôn được đo trên hoặc song song với một thành phần mạch.

Loại vôn kế tương tự DC cơ bản nhất là đồng hồ “cuộn dây chuyển động từ tính vĩnh cửu” (PMMC), còn được gọi là chuyển động D’Arsonval. Loại chuyển động đồng hồ tương tự này về cơ bản là một thiết bị đo dòng điện (gọi là điện kế) có thể được cấu hình để hoạt động như một Vôn kế hoặc một Ampe kế , sự khác biệt chính là cách chúng được kết nối trong một mạch điện. Chuyển động của cuộn dây chuyển động sử dụng một nam châm vĩnh cửu cố định và một cuộn dây rất mỏng được phép chuyển động (do đó có tên là “cuộn dây chuyển động”) trong từ trường của nam châm.

Khi được kết nối với một mạch điện, một dòng điện chạy qua cuộn dây, dòng điện bên trong sẽ tạo ra từ trường riêng (từ trường) phản ứng chống lại từ trường tạo bởi nam châm vĩnh cửu xung quanh, do đó làm cho cuộn dây chuyển động. Vì điện kế phản ứng với một dòng điện bên trong, nếu chúng ta biết điện trở bên trong của cuộn dây (quấn từ dây đồng), chúng ta có thể chỉ cần sử dụng định luật Ohm để xác định hiệu điện thế tương ứng đang được đo.

Cấu tạo đồng hồ đo cuộn dây di chuyển nam châm vĩnh viễn

Lượng mà cuộn dây điện từ di chuyển, được gọi là “độ lệch”, tỷ lệ với cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây cần thiết để tạo ra từ trường cần thiết để làm lệch kim. Nói chung, có một con trỏ, hoặc kim, được kết nối với cuộn dây để chuyển động của cuộn dây làm cho con trỏ bị lệch theo thang tuyến tính để chỉ ra giá trị được đo với góc lệch tỷ lệ với dòng điện đầu vào. Do đó con trỏ của điện kế di chuyển theo dòng điện.

Lò xo giảm chấn kiểu chuyển động của đồng hồ xoắn ốc thường mỏng được sử dụng để điều khiển góc lệch, ngăn ngừa dao động hoặc chuyển động nhanh có thể làm hỏng kim chỉ cũng như giữ cho chuyển động của cuộn dây ở trạng thái nghỉ khi không có dòng điện chạy qua cuộn dây. Nói chung, chuyển động của con trỏ nằm giữa số 0 ở bên trái và độ lệch toàn tỷ lệ (FSD) ở ngoài cùng bên phải của tỷ lệ. Một số bộ chuyển động của đồng hồ có con trỏ ở tâm lò xo với vị trí nghỉ bằng 0 nằm ở giữa thang đo cho phép con trỏ chuyển động theo cả hai hướng. Điều này rất hữu ích để đo điện áp của một trong hai cực.

Mặc dù chuyển động của đồng hồ PMMC này đáp ứng tuyến tính với dòng điện trong cuộn dây chuyển động, nhưng nó có thể được điều chỉnh để đo điện áp bằng cách bổ sung điện trở nối tiếp với chuyển động của cuộn dây. Sự kết hợp của điện trở nối tiếp với chuyển động của đồng hồ cuộn dây chuyển động tạo thành vôn kế DC có thể cho kết quả chính xác sau khi được hiệu chuẩn.

Đo điện áp

Chúng ta đã thấy trong các hướng dẫn này rằng khi các điện tích ở trạng thái cân bằng, hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ của mạch bằng 0 và nếu dòng điện (chuyển động của điện tích) chạy quanh mạch thì sẽ tồn tại một hiệu điện thế giữa hai hoặc nhiều điểm khác nhau. của mạch. Sử dụng điện kế, chúng ta không chỉ có thể đo dòng điện chạy giữa hai điểm mà còn đo được hiệu điện thế giữa chúng, theo định luật Ohm, vì các đại lượng này tỷ lệ với nhau. Do đó bằng cách sử dụng vôn kế chia độ, chúng ta có thể đo hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ của mạch.

Nhưng làm thế nào để chúng ta chuyển đổi một đồng hồ đo hoạt động bằng cách sử dụng dòng điện sang một đồng hồ có thể được sử dụng để đo điện áp. Trước đây chúng ta đã nói rằng độ lệch của đồng hồ đo cuộn dây chuyển động nam châm vĩnh cửu tỷ lệ với cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây chuyển động của nó. Nếu độ lệch quy mô đầy đủ (FSD) của nó được nhân với điện trở bên trong của cuộn dây chuyển động, thì đồng hồ có thể được chế tạo để đọc điện áp thay vì dòng điện, do đó biến đồng hồ đo cuộn dây chuyển động của nam châm chuyển động thành vôn kế một chiều.

Tuy nhiên do thiết kế chuyển động của cuộn dây, hầu hết các máy đo PMMC là thiết bị rất nhạy cảm có thể có dòng điện lệch toàn quy mô, xếp hạng I _G thấp tới 100µA (hoặc ít hơn). Ví dụ, nếu giá trị điện trở của cuộn dây chuyển động R _G là 500Ω, thì điện áp toàn thang tối đa mà chúng ta có thể đo được sẽ chỉ là 50mV (V = I * R = 100µA x 500Ω). Vì vậy, để chuyển động của cuộn dây nhạy cảm của vôn kế PMMC để đo các giá trị điện áp cao hơn, chúng ta cần tìm một số cách để giảm điện áp được đo đến giá trị mà đồng hồ có thể xử lý và điều này đạt được bằng cách đặt một điện trở, được gọi là hệ số nhân, mắc nối tiếp với điện trở cuộn dây bên trong mét.

Giả sử rằng chúng ta muốn sử dụng điện kế 100uA, 500Ω ở trên để đo điện áp mạch lên đến 1,0 volt. Rõ ràng là chúng ta không thể kết nối trực tiếp đồng hồ để đo 1 vôn vì như chúng ta đã thấy trước đây, điện áp tối đa mà nó có thể đo là 50 milivôn (50mV). Nhưng bằng cách sử dụng Định luật Ohm, chúng ta có thể tính toán giá trị của điện trở nối tiếp, R _S yêu cầu sẽ tạo ra chuyển động của đồng hồ toàn quy mô khi được sử dụng để đo hiệu điện thế một vôn.

Do đó, nếu dòng điện mà điện kế cho độ lệch toàn thang là 100uA, thì điện trở nối tiếp R _S yêu cầu được tính là 9,5kΩ. Do đó, một điện kế có thể được biến đổi thành một vôn kế chỉ bằng cách mắc nối tiếp một điện trở đủ lớn với nó như hình vẽ.

Điện trở dòng vôn kế

Lưu ý rằng điện trở nối tiếp này, R _S sẽ luôn cao hơn điện trở trong của cuộn dây, R _G để hạn chế cường độ dòng điện qua các cuộn dây của cuộn dây. Sự kết hợp giữa chuyển động của đồng hồ với điện trở nối tiếp bên ngoài này sau đó tạo thành cơ sở của một vôn kế tương tự đơn giản.

Ví dụ vôn kế No1

Một điện kế PMMC có điện trở cuộn dây bên trong là 100Ω và tạo ra độ lệch toàn quy mô 200 mV. Tìm điện trở cấp số nhân cần thiết để đồng hồ đo lệch hoàn toàn khi đo điện áp một chiều 5 vôn.

Do đó, điện trở nối tiếp yêu cầu có giá trị 2,4kΩ

Chúng ta có thể sử dụng phương pháp này để đo bất kỳ giá trị điện áp nào bằng cách thay đổi giá trị của điện trở cấp số nhân theo yêu cầu với điều kiện chúng ta biết giá trị độ lệch toàn quy mô (FSD) hiện tại hoặc điện áp (I _FSD hoặc V _FSD ) của điện kế. Sau đó, tất cả những gì chúng ta cần làm là dán nhãn lại cho thang đo để đọc từ 0 đến giá trị điện áp đo mới.

Mạch phân chia điện áp nối tiếp nối tiếp đơn giản này có thể được mở rộng thêm để có một loạt các điện trở “cấp số nhân” khác nhau trong thiết kế của nó, do đó cho phép sử dụng vôn kế để đo một loạt các mức điện áp khác nhau khi nhấp vào công tắc.

Thiết kế vôn kế đa dải

Vôn kế DC đơn giản của chúng tôi từ phía trên có thể được mở rộng hơn nữa bằng cách sử dụng một số điện trở nối tiếp, mỗi điện trở có kích thước cho một dải điện áp cụ thể, có thể được chọn từng cái một bằng một công tắc đa cực, do đó cho phép đo vôn kế tương tự của chúng tôi nhiều mức điện áp hơn chỉ với một chuyển động. Loại cấu hình vôn kế này được gọi là vôn kế đa dải với phạm vi được chọn tùy thuộc vào số vị trí của công tắc, ví dụ, 4 vị trí, 5 vị trí, v.v.

Cấu hình vôn kế đa dải trực tiếp

Trong cấu hình vôn kế này, mỗi điện trở nhân, R _S của vôn kế đa tần được mắc nối tiếp với đồng hồ như trước để có dải điện áp mong muốn. Vì vậy, nếu chúng tôi giả sử đồng hồ FSD 50mV của chúng tôi từ phía trên được yêu cầu để đo các dải điện áp sau 10V, 50V, 100V, 250V và 500V, thì các điện trở nối tiếp yêu cầu được tính giống như trước đây:

Cho vào mạch một vôn kế nhiều chiều có:

Mặc dù cấu hình vôn kế trực tiếp này hoạt động rất tốt để đọc dải điện áp của chúng tôi, các giá trị điện trở nhân cần thiết để có được FSD chính xác của đồng hồ cho các dải được tính toán có thể cung cấp các giá trị điện trở không phải là giá trị ưu tiên tiêu chuẩn hoặc yêu cầu các điện trở được hàn với nhau để tạo ra giá trị chính xác. Các giá trị được tính toán của chúng tôi từ 99,5kΩ đến 4,9995MΩ không phải là giá trị điện trở phổ biến, vì vậy chúng tôi cần tìm một biến thể của thiết kế vôn kế ở trên sẽ sử dụng các giá trị điện trở thông dụng hơn.

Cấu hình vôn kế đa dải gián tiếp

Một thiết kế thực tế hơn là cấu hình vôn kế gián tiếp trong đó một hoặc nhiều điện trở nối tiếp được kết nối với nhau trong một chuỗi nối tiếp với đồng hồ để cung cấp dải điện áp mong muốn. Ưu điểm ở đây là chúng ta có thể sử dụng các giá trị ưu tiên tiêu chuẩn cho các điện trở cấp số nhân. Vì vậy, nếu chúng tôi giả định lại đồng hồ FSD 50mV của chúng tôi và các dải điện áp 10V, 50V, 100V, 250V và 500V, thì điện trở hệ số nhân loạt yêu cầu được tính như sau:

Cho mạch điện vôn kế nhiều chiều gián tiếp gồm:

Sau đó, chúng ta có thể thấy với cấu hình vôn kế 5 dải gián tiếp này, điện áp cần đo càng cao, càng nhiều điện trở cấp số nhân được lựa chọn bởi công tắc. Tổng điện trở được mắc nối tiếp với đồng hồ PMMC sẽ là tổng của các điện trở, như R _TOTAL = R _S1 + R _S2 + R _S3 … vv Rõ ràng là trong khi hai mạch, cấu hình vôn kế trực tiếp và gián tiếp đều có thể đọc được cùng mức điện áp, việc sử dụng các giá trị điện trở tiêu chuẩn và ưu tiên của điện trở 400kΩ, 500kΩ, 1M5Ω và 2M5Ω làm cho phương pháp gián tiếp dễ dàng hơn và rẻ hơn để xây dựng.

Rõ ràng, việc lựa chọn giá trị điện trở cuối cùng sẽ phụ thuộc vào FSD của điện kế được sử dụng và mức điện áp cần đo. Bằng cách nào đó, một vôn kế DC tương tự đa dải đơn giản có thể được chế tạo bằng cách kết nối điện trở bộ nhân loạt cao hơn và một công tắc. Hầu hết các đồng hồ vạn năng kỹ thuật số ngày nay đều tự động điều chỉnh phạm vi.

Một điểm cuối cùng cần lưu ý khi chế tạo vôn kế một chiều là vôn kế lý tưởng sẽ không ảnh hưởng đến phần mạch hoặc thành phần được đo vì nó sẽ có điện trở tương đương vô hạn. Tuy nhiên trong thực tế khi đo vôn kế, việc mắc vôn kế vào mạch điện, nhất là đoạn mạch có điện trở cao có thể làm giảm điện trở hiệu dụng của đoạn mạch và do đó có tác dụng làm giảm hiệu điện thế đang đo giữa hai điểm.

Để giảm thiểu hiệu ứng tải này, một đồng hồ có độ nhạy cao, nghĩa là, độ võng toàn phần của nó đạt được với dòng điện lệch thấp hơn nên được sử dụng để điện trở cấp số nhân được sử dụng cho vôn kế có thể càng cao càng tốt để giảm dòng điện đi qua máy đo PMMC. Độ nhạy của vôn kế được đo bằng Ohms / Volt, (Ω / V).