Efek Pembebanan Pada Voltmeter

Setiap meter mempengaruhi sirkuit yang diukur sampai batas tertentu, sama seperti setiap pengukur tekanan ban mengubah tekanan ban yang diukur sedikit karena beberapa udara dikeluarkan untuk mengoperasikan alat ukur. Sementara beberapa dampak tak terelakkan, bisa diminimalisir melalui desain meter yang bagus.

Karena voltmeter selalu dihubungkan secara paralel dengan komponen atau komponen yang diuji, arus yang ada melalui voltmeter akan berkontribusi pada arus keseluruhan dalam rangkaian yang diuji, yang berpotensi mempengaruhi voltase yang diukur. Voltmeter yang sempurna memiliki ketahanan tak terbatas, sehingga tidak ada arus dari sirkuit yang diuji. Namun, voltmeter yang sempurna hanya ada di halaman buku teks, bukan di kehidupan nyata! Ambil rangkaian pembagi tegangan berikut ini sebagai contoh ekstrem bagaimana voltmeter yang realistis dapat mempengaruhi rangkaian pengukurannya:

Dengan voltmeter tidak terhubung ke sirkuit, harus ada tepat 12 volt di setiap resistor 250 MΩ di rangkaian seri, dua resistor bernilai sama membagi total tegangan (24 volt) menjadi dua. Namun, jika voltmeter yang dimaksud memiliki ketahanan timah dari 10 MΩ (jumlah yang sama untuk voltmeter digital modern), resistansi akan menciptakan subcircuit paralel dengan resistor rendah pembagi saat terhubung:

Ini secara efektif mengurangi resistansi yang lebih rendah dari 250 MΩ menjadi 9,615 MΩ (250 MΩ dan 10 MΩ secara paralel), menurunkan voltase voltase secara drastis di sirkuit. Resistor yang lebih rendah sekarang akan memiliki tegangan jauh lebih sedikit daripada sebelumnya, dan resistor atas jauh lebih banyak.

Pembagi tegangan dengan nilai tahanan 250 MΩ dan 9.615 MΩ akan membagi 24 volt menjadi masing-masing 23.1111 volt dan 0.8889 volt. Karena voltmeter adalah bagian dari resistan 9.615 MΩ, itulah yang akan ditunjukkannya: 0,8889 volt.

Sekarang, voltmeter hanya bisa menunjukkan voltase yang terhubung. Ini tidak memiliki cara untuk "mengetahui" ada potensi 12 volt turun di resistor 250 M the yang lebih rendah sebelum terhubung di atasnya. Tindakan menghubungkan voltmeter ke sirkuit menjadikannya bagian dari rangkaian, dan ketahanan voltmeter sendiri mengubah rasio resistansi rangkaian pembagi tegangan, akibatnya mempengaruhi voltase yang diukur.

Bayangkan menggunakan alat pengukur tekanan ban yang menghasilkan volume udara yang begitu besar sehingga bisa mengempiskan ban yang terhubung dengannya. Jumlah udara yang dikonsumsi oleh alat pengukur tekanan dalam tindakan pengukuran analog dengan arus yang diambil oleh gerakan voltmeter untuk menggerakkan jarum. Semakin sedikit udara yang dibutuhkan pengukur tekanan untuk beroperasi, semakin sedikit pengoretan yang di bawah uji. Semakin sedikit arus yang ditarik oleh voltmeter untuk menggerakkan jarum, semakin sedikit beban yang akan diatasi pada sirkuit yang diuji.

Efek ini disebut pemuatan , dan ini ada sampai tingkat tertentu dalam setiap penggunaan voltmeter. Skenario yang ditunjukkan di sini adalah kasus terburuk, dengan ketahanan voltmeter jauh lebih rendah daripada resistans resistor pembagi. Tapi akan selalu ada beberapa tingkat pemuatan, menyebabkan meter menunjukkan kurang dari voltase sebenarnya tanpa meter yang terhubung. Jelas, semakin tinggi voltmeter resistance, semakin sedikit pemuatan rangkaian yang diuji, dan itulah sebabnya voltmeter ideal memiliki tahanan internal yang tak terbatas.

Voltmeter dengan gerakan elektromekanis biasanya diberi nilai dalam "ohm per volt" kisaran untuk menentukan jumlah dampak rangkaian yang dibuat oleh gerakan arus saat ini. Karena meter seperti itu bergantung pada nilai resistor pengali yang berbeda untuk memberikan rentang pengukuran yang berbeda, resistansi timbal-ke-pimpinnya akan berubah tergantung pada kisaran yang mereka tetapkan.Voltmeter digital, di sisi lain, sering menunjukkan resistansi konstan di seluruh tes mereka tanpa memperhatikan pengaturan jangkauan (tapi tidak selalu!), Dan karena itu biasanya diberi nilai hanya dalam ohm resistansi masukan, daripada sensitivitas "ohm per volt".

Apa arti "ohms per volt" adalah berapa banyak ohm perlawanan timbal-ke-timbal untuk setiap volt pengaturan jangkauan pada sakelar pemilih. Mari kita ambil contoh voltmeter kita dari bagian terakhir sebagai contoh:

Pada skala 1000 volt, resistansi total adalah 1 MΩ (999,5 kΩ + 500Ω), menghasilkan 1.000.000 Ω per 1000 volt jangkauan, atau 1000 ohm per volt (1 kΩ / V). Tingkat "sensitivitas" ohm per volt ini tetap konstan untuk rentang meter ini:

Pengamat cerdik akan memperhatikan bahwa rating ohm per volt dari setiap meter ditentukan oleh satu faktor: arus pergerakan skala penuh, dalam hal ini 1 mA. "Ohms per volt" adalah timbal balik matematis dari "volt per ohm," yang didefinisikan oleh Hukum Ohm sebagai arus (I = E / R). Akibatnya, arus pergerakan skala penuh menentukan sensitivitas Ω / volt meter, terlepas dari apa yang berkisar pada perancang melengkapinya dengan resistor multiplier. Dalam hal ini, nilai arus rata-rata pergerakan meter dari 1 mA memberikan sensitivitas voltmeter 1000 Ω / V terlepas dari bagaimana kita menjelajahinya dengan resistor pengali.

Untuk meminimalkan pemuatan voltmeter pada rangkaian apapun, perancang harus berusaha meminimalkan pergerakan arus pergerakannya saat ini. Hal ini dapat dilakukan dengan mendesain ulang gerakan itu sendiri untuk sensitivitas maksimum (kurang dibutuhkan saat ini untuk defleksi skala penuh), namun tradeoff di sini biasanya kasar: gerakan yang lebih sensitif cenderung lebih rapuh.

Pendekatan lain adalah secara elektronik mendongkrak arus yang dikirim ke pergerakan, sehingga arus yang sangat kecil perlu ditarik dari sirkuit yang diuji. Sirkuit elektronik khusus ini dikenal sebagai amplifier , dan voltmeter yang dibangun adalah voltmeter yang diperkuat .

Cara kerja internal penguat terlalu rumit untuk dibahas pada titik ini, namun cukup untuk mengatakan bahwa rangkaian memungkinkan voltase terukur untuk mengendalikan berapa banyak arus baterai yang dikirim ke gerakan meter. Dengan demikian, kebutuhan arus gerakan dipasok oleh baterai internal ke voltmeter dan bukan oleh sirkuit yang diuji. Penguat masih memuat sirkuit yang diuji sampai tingkat tertentu, namun umumnya ratusan atau ribuan kali lebih sedikit dari gerakan meter dengan sendirinya.

Sebelum munculnya semikonduktor yang dikenal sebagai "transistor efek medan," tabung vakum digunakan sebagai alat penguat untuk melakukan penguat ini. Voltmater tabung hampa udara semacam itu, atau (VTVM's) dulu adalah alat yang sangat populer untuk pengujian dan pengukuran elektronik. Berikut adalah foto VTVM yang sangat tua, dengan tabung vakum terbuka!

Sekarang, sirkuit penguat transistor solid-state menyelesaikan tugas yang sama dalam desain meter digital. Sementara pendekatan ini (menggunakan amplifier untuk meningkatkan arus sinyal yang diukur) bekerja dengan baik, ini sangat mempersulit desain meteran, sehingga hampir tidak mungkin bagi siswa elektronik awal untuk memahami cara kerja internalnya.

Solusi akhir dan cerdik untuk masalah pemuatan voltmeter adalah alat bantu potensiometri atau nirbah . Ini tidak memerlukan sirkuit (elektronik) canggih atau perangkat sensitif seperti transistor atau tabung vakum, namun memerlukan keterlibatan dan keterampilan teknisi yang lebih besar. Dalam alat potentiometrik, sumber tegangan yang disesuaikan presisi dibandingkan dengan voltase yang diukur, dan perangkat sensitif yang disebut detektor nol digunakan untuk menunjukkan kapan kedua voltase sama. Pada beberapa desain rangkaian, potensiometer presisi digunakan untuk memberikan voltase yang dapat diatur, sehingga berpotensi untuk potentiometri . Bila voltase sama, arus nol akan ditarik dari sirkuit yang diuji, dan dengan demikian voltase yang diukur seharusnya tidak terpengaruh. Mudah untuk menunjukkan bagaimana ini bekerja dengan contoh terakhir kami, rangkaian pembagi tegangan resistansi tinggi:

The "null detector" adalah perangkat sensitif yang mampu menunjukkan adanya tegangan yang sangat kecil. Jika gerakan meter elektromekanis digunakan sebagai detektor nol, ia akan memiliki jarum pegas yang dapat membelok ke dua arah sehingga berguna untuk menunjukkan tegangan polaritas baik. Karena tujuan detektor nol adalah untuk secara akurat mengindikasikan kondisi voltase nol , dan bukan untuk menunjukkan kuantitas spesifik (nol) sebagai voltmeter normal, skala instrumen yang digunakan tidak relevan. Detektor null biasanya dirancang sedemikian sensitif mungkin untuk lebih tepatnya menunjukkan kondisi "nol" atau "keseimbangan" (zero voltage).

Jenis detektor null yang sangat sederhana adalah seperangkat headphone audio, speaker dalam bertindak sebagai semacam gerakan meter. Ketika tegangan DC pada awalnya diterapkan pada speaker, arus yang dihasilkan melewatinya akan menggerakkan kerucut speaker dan menghasilkan "klik" yang terdengar. Suara "klik" lainnya akan terdengar saat sumber DC terputus. Dengan membangun prinsip ini, detektor nabati yang sensitif dapat dibuat dari headphone dan tombol kontak sesaat:

Jika satu set headphone "8 ohm" digunakan untuk tujuan ini, sensitivitasnya mungkin akan meningkat dengan menghubungkannya ke perangkat yang disebut transformator . Transformator mengeksploitasi prinsip-prinsip elektromagnetisme untuk "mengubah" tingkat tegangan dan arus pulsa energi listrik. Dalam kasus ini, jenis trafo yang digunakan adalah transformator step-down , dan mengubah pulsa arus rendah (dibuat dengan menutup dan membuka saklar tombol tekan saat terhubung ke sumber tegangan kecil) ke pulsa arus yang lebih tinggi untuk lebih efisien menggerakkan kerucut speaker di dalam headphone. Trafo "output audio" dengan rasio impedansi 1000: 8 sangat ideal untuk tujuan ini. Transformator juga meningkatkan sensitivitas detektor dengan mengumpulkan energi sinyal arus rendah di medan magnet untuk melepaskannya secara tiba-tiba ke speaker headphone saat sakelar dibuka. Dengan demikian, akan menghasilkan "klik" yang lebih keras untuk mendeteksi sinyal yang lebih kecil:

Terhubung ke sirkuit potensiometrik sebagai detektor nol, pengaturan saklar / transformator / headphone digunakan seperti ini:

Tujuan detektor nol adalah bertindak seperti skala keseimbangan laboratorium, yang menunjukkan kapan kedua voltase sama (tidak adanya voltase antara titik 1 dan 2) dan tidak lebih dari itu. Neraca neraca skala laboratorium sebenarnya tidak menimbang apapun; Sebaliknya, ini hanya menunjukkan persamaan antara massa tak dikenal dan tumpukan massa standar (yang dikalibrasi).

Demikian juga, detektor nol hanya menunjukkan bila voltase antara titik 1 dan 2 sama, yang (menurut Hukum Voltase Kirchhoff) akan menjadi sumber voltase yang dapat disesuaikan (simbol baterai dengan panah diagonal yang melewatinya) sama persis dengan voltase ke drop di R ₂ .

Untuk mengoperasikan instrumen ini, teknisi secara manual akan mengatur output dari sumber tegangan presisi sampai detektor nol menunjukkan nol tepat (jika menggunakan headphone audio sebagai detektor nol, teknisi akan berulang kali menekan dan melepaskan tombol tekan, mendengarkan untuk diam untuk menunjukkan bahwa rangkaian itu "seimbang"), dan kemudian perhatikan voltase sumber seperti yang ditunjukkan oleh voltmeter yang terhubung di sumber tegangan presisi, indikasi itu mewakili tegangan di resistor 250 M yang lebih rendah:

Voltmeter yang digunakan untuk mengukur sumber presisi secara langsung tidak memerlukan sensitivitas Ω / V yang sangat tinggi, karena sumbernya akan memasok semua arus yang dibutuhkan untuk beroperasi. Selama ada tegangan nol di detektor nol, akan ada nol arus antara titik 1 dan 2, yang sama dengan tidak ada pembebanan rangkaian pembagi yang diuji.

Hal ini layak untuk mengulangi fakta bahwa metode ini, dijalankan dengan benar, menempatkan hampir nol pada sirkuit yang diukur. Idealnya, ini benar-benar tidak memuat beban pada sirkuit yang diuji, namun untuk mencapai tujuan ideal ini, detektor nol harus benar - benar memiliki tegangan nol di atasnya , yang memerlukan meter nol yang sangat tak terhingga dan keseimbangan tegangan yang sempurna dari sumber voltase yang dapat disesuaikan . Namun, terlepas dari ketidakmampuan praktis untuk mencapai pemuatan nol mutlak, rangkaian potensiometri masih merupakan teknik yang sangat baik untuk mengukur voltase pada sirkuit dengan daya tahan tinggi. Dan tidak seperti solusi penguat elektronik, yang memecahkan masalah dengan teknologi maju, metode potensiometri mencapai solusi tepat hipotetis dengan memanfaatkan hukum dasar listrik (KVL).