Компенсационные вольтметры
Радио, 1953, №7.
Для изготовления хорошего вольтметра требуется измерительный прибор не только с высокой чувствительностью, но и со шкалой достаточно большого размера. Приборы же высокой чувствительности, но с небольшой шкалой рационально использовать в схемах для измерения напряжений так называемым компенсационным или нулевым методом. Точность измерений, обеспечиваемая этим методом, не зависит от точности прибора и размеров его шкалы.
На этом принципе может быть построен вольтметр, совершенно не потребляющий тока от измеряемой цепи, т. е. обладающий бесконечно большим входным сопротивлением. Таким вольтметром можно измерять напряжения в цепях с очень большими сопротивлениями. Это даёт возможность с успехом применять его для измерения напряжений непосредственно на электродах электронных ламп приёмно-усилительных схем.
Принципиальная схема измерения напряжений компенсационным методом изображена на рис. 1.
Рис. 1. Принцип измерения напряжений компенсационным методом
Сущность этого метода состоит в том, что измеряемое напряжение уравновешивается или, как говорят, компенсируется подведённым ему навстречу напряжением от какого-либо другого источника.
В изображённой на рис. 1 схеме измеряемое напряжение Uх через прибор с нулём посередине шкалы подводится к ползунку потенциометра П, к концам которого присоединён источник, напряжение которого известно. Передвижением ползунка по потенциометру добиваются того, что снимаемое с него компенсирующее напряжение Uк
становится равным измеряемому. В этом случае тока в цепи прибора не будет и стрелка его установится на нуль.
Если величина напряжения, подведённого к концам потенциометра, неизменна, последний можно снабдить шкалой, каждому делению которой соответствует определённая величина снимаемого напряжения. При этом процесс измерений сведётся к установке ползунка в положение, при котором прибор будет показывать нуль,и отсчёту в этот момент по шкале потенциометра величины измеряемого напряжения.
Практическая схема компенсационного вольтметра изображена на рис. 2. Компенсирующее напряжение в 300 В от стабилизированного выпрямителя подведено к концам делителя напряжения Д. Любая часть этого напряжения может быть снята с делителя и через измерительный прибор (с нулём посередине шкалы) подведена навстречу измеряемому напряжению.
Вольтметр по этой схеме позволяет измерять не только постоянные, но и переменные напряжения. Измеряемое переменное напряжение предварительно выпрямляется при помощи имеющегося в вольтметре двойного диода 6Х6С, и это выпрямленное напряжение измеряется так же, как и постоянное.
Общее сопротивление делителя, равное 30 кОм, разбито на 10 секций по 3 кОм. Отводы от каждой секции подведены к контактам переключателя П1. Последняя секция выполнена в виде потенциометра Rп с плавно передвигающимся ползунком. На его шкале нанесены деления от 0 до 30 В.
При перестановке ползунка переключателя П1 с контакта на контакт величина напряжения, снимаемого с делителя, каждый раз изменяется на 30 в. Следовательно, у вольтметра имеется 10 шкал, причём каждая последующая шкала позволяет измерять напряжения, отличающиеся на 30 В от измеряемых по предыдущей (при предыдущем положении ползунка). Нижний предел измерения вольтметра по любой из последующих шкал совпадает с верхним пределом измерения по предыдущей.
Величина напряжения, измеряемого по любой из шкал, определяется путём сложения величины напряжения, указанного против данного контакта переключателя П1, с величиной напряжения, отсчитанной по шкале потенциометра Rп.
Рис. 2. Практическая схема компенсационного вольтметра. Переключатель П2 в положении 3 не фиксируется.
Установку ползунков в положения, соответствующие порядку величины измеряемого напряжения, производят до подключения этого напряжения к зажимам вольтметра. Затем переключатель П2 (рис. 2) устанавливают в положение 1. При этом последовательно со стрелочным прибором оказываются включёнными сопротивления R1 и R2, ограничивающие ток через него в случае значительного неравенства измеряемого и компенсирующего напряжений.
После этого подводят измеряемое напряжение к соответствующим зажимам вольтметра и производят компенсацию, т. е. устанавливают переключатель П1 и ползунок потенциометра Rп так, чтобы стрелочный прибор показывал нуль. Затем увеличивают чувствительность индикатора: переводят переключатель П2 сначала в положение 2, а затем 3, производят точную компенсацию при помощи потенциометра Rп и отсчитывают величину измеряемого напряжения. В момент точной компенсации вольтметр совершенно не потребляет тока от измеряемой цепи.
При измерении переменного напряжения отсчёт будет соответствовать амплитудному значению. Для определения действующего значения отсчитанную величину нужно разделить на 1,41, Следует иметь в виду, что при измерении переменных напряжений участок цепи, к которому присоединяется вольтметр, должен обладать проводимостью для постоянного тока. Если этого нет, параллельно зажимам вольтметра «-» нужно присоединить сопротивление; его величина должна быть настолько большой, чтобы оно заметно не шунтировало цепь, на концах которой измеряется напряжение.
Точность вольтметра зависит от точности подгонки величин сопротивлений делителя, стабильности этих сопротивлений, а также стабильности компенсирующего напряжения.
Покажем на примере порядок расчёта делителя для схемы вольтметра на рис. 2. Потенциометр с сопротивлением Rп = 1500 Ом и номинальной мощностью рассеяния Р = 1 Вт предполагается использовать в делителе вольтметра с 10 шкалами и верхним пределом измерения 300 В. Следовательно, кроме потенциометра Rп, в делитель должны входить девять постоянных сопротивлений по 1500 Ом каждое.
Компенсирующее напряжение U должно быть равно верхнему пределу измерения, т. е. 300 В. При этом на каждую секцию делителя будет приходиться напряжение 30 В.
Мощность, рассеиваемая на каждой секции, определяется по формуле
Рсекц = U2секц / Rсекц = 302/1500 ≈ 0,6 Вт. (1)
Обычно в делителе применяют сопротивления с номинальной мощностью рассеивания в полтора-два раза больше расчётной. Для данного случая берём сопротивления с номинальной мощностью рассеивания 1 Вт
На рис. 3 приведена принципиальная схема вольтметра, в котором не всё измеряемое напряжение Ux, а только часть его U, снимаемая с потенциометра П, компенсируется подведённой ему навстречу ЭДС (Е).
При неизменной величине этой ЭДС положение, в которое устанавливается ползунок в момент компенсации (нулевое показание прибора), определяется величинами подводимых к концам потенциометра измеряемых напряжений. Следовательно, положения ползунка, как и в предыдущем случае, можно проградуировать.
Рис. 3. Принципиальная схема вольтметра с компенсацией части измеряемого напряжения.
Нижний предел измерения вольтметра определяется величиной компенсирующей ЭДС и численно равен ей. Поэтому для получения небольшого нижнего предела измерения для компенсации должен применяться источник с небольшой ЭДС. В радиолюбительских условиях в качестве источника компенсирующей ЭДС может быть применён сухой элемент. При этом нижний предел измерения вольтметра будет около 1,4-1,6 В.
Рис. 4. Шкала потенциометра.
Верхний предел измерения такого вольтметра теоретически неограничен, однако с увеличением измеряемого напряжения точность отсчёта его по шкале потенциометра понижается. Это видно из рис. 4, на котором изображена шкала потенциометра с градуировкой от 1,6 до 500 В; деления в области больших величин измеряемых напряжений расположены настолько часто, что точный отсчёт на этой части шкалы невозможен. Практически верхний предел выбирается больше нижнего в 8-10 раз.
При необходимости повысить верхний предел измеряемое напряжение подводят к потенциометру вольтметра через добавочное сопротивление.
На рис. 5 изображена схема вольтметра с тремя добавочными сопротивлениями, позволяющая расширить его предел измерения в 5; 10 и 50 раз. В соответствии с этим вольтметр имеет четыре шкалы: 1,6-15 В, 8-75 В, 16-150 В и 80-750 В (при ЭДС элемента, равной 1,6 в). Измеряемое напряжение определяется путём умножения отсчёта по шкале потенциометра на число, показывающее, во сколько раз при данном пределе измерения подводимая к потенциометру часть измеряемого напряжения меньше всего напряжения. Для удобства эти числа нанесены у гнёзд, с которыми соединяется положительный полюс измеряемого напряжения.
Рис. 5. Схема компенсационного вольтметра. Кнопка К не фиксируется.
Поскольку от элемента, применяемого в вольтметре, потребляется очень малый ток, то ЭДС элемента в течение долгого времени остаётся неизменной. Для того чтобы элемент не разряжался, когда вольтметром не пользуются, предусмотрен выключатель Вк, размыкающий цепь, в которую включён элемент.
Ввиду того что в этом вольтметре компенсируется только часть измеряемого напряжения, входное сопротивление вольтметра определяется сопротивлением делителя.
Сопротивление Rо в схеме рис. 5 является ограничительным. Для получения точного отсчёта оно замыкается кнопкой.
Для расчёта делителя к вольтметру по схеме рис. 5 нужно знать верхний и нижний пределы измерения вольтметра без добавочных сопротивлений (когда измеряемое напряжение подводится непосредственно к потенциометру Rп), а также сопротивление потенциометра Rп и величину номинальной мощности рассеивания на нём.
Рис. 6. К расчёту схемы компенсационного вольтметра по схеме рис. 5.
Обозначив через k число раз, в которое с данным добавочным сопротивлением Rд (рис. 6) расширяется предел измерения вольтметра, можно написать:
k = Uв/Uп = (Rп+Rд)/Rп, (2)
где
Uв - верхний предел измерения вольтметра с добавочным сопротивлением;
Uп - верхний предел измерения вольтметра без добавочного сопротивления.
Из формулы (2) следует, что
Rд = Rп*(k-1). (3)
Обозначив через R1, R2, R3, т т. д. величины секций добавочного сопротивления, нужные для расширения пределов измерения вольтметра соответственно в k1, k2, k3 и т. д. раз, и подставив их в выражение (3), получим формулы для расчёта величин сопротивлений этих секций:
R1 = Rп(k1-1);
R2 = Rп(k2-1)-R1; (4)
R3 = Rп(k3-1)-(R1+R2)
и т. д.
Для получения достаточно большого входного сопротивления вольтметра сопротивление Rд должно быть велико (порядка нескольких мегом).
Рассчитаем, для примера, делитель к вольтметру с пределами измерения без добавочного сопротивления от 1,6 до 15 В. Принимаем сопротивление потенциометра Rп = 0,2 мОм, номинальную мощность рассеивания на нём R = 0,5 Вт. Предел измерения вольтметра нужно расширить в k1 = 5, k2 = 10 и k3 = 20 раз (т. е. кроме шкалы от 1,6 до 15 В нужно иметь ещё шкалы от 8 до 75 В, от 16 до 150 В и от 32 до 300 В).
Пользуясь приведёнными выше формулами, находим:
R1 = 0,2(5 - 1) = 0,8 мОм; R2 = 0,2(10 - 1) - 0,8 = 1 мОм; R3 = 0,2(20-1) - (0,8+1) = 2 мОм.
Мощность, рассеиваемая на всех секциях добавочного сопротивления, равна
Р = U2в /(Rп+Rд), (5)
В нашем примере Rп-Rд = Rп + Rд = Rп+ R1 + R2 + R3 = 0,2 + 0,8 + 1 + 2 = 4 мОм; тогда
P = 3002/(4*106) = 0,0225 Вт.
Так как рассеиваемая на всём делителе мощность почти в 10 раз меньше допускаемой для сопротивлений, даже с самой малой номинальной мощностью рассеивания (0,25 Вт), то нет смысла подсчитывать мощность, рассеиваемую на каждой из секций. Сопротивления делителя можно взять с мощностью рассеивания, равной 0,25 Вт.
Прежде чем приступить к градуировке вольтметра, следует подогнать до требуемых значений сопротивления делителя. Подгонку лучше всего произвести на мостике. Можно также составить делитель из сопротивлений типа ВС с допуском +-5%, но точность вольтметра при этом будет ниже.
Рис. 7. Схема градуировки вольтметра.
Градуировку компенсационного вольтметра проще всего произвести, подключив параллельно ему другой, достаточно точный вольтметр (рис. 7). Для получения большей точности этот образцовый вольтметр нужно выбирать с пределами измерений, близкими к тем, которые отсчитываются по шкале потенциометра градуируемого вольтметра.
В компенсационных вольтметрах желательно применять наиболее чувствительные магнитоэлектрические приборы (гальванометры и микроамперметры). У радиолюбителей чаще всего встречаются измерительные приборы с нулём, расположенным в начале шкалы. Чтобы перенести нуль в середину шкалы, нужно осторожно вынуть прибор из кожуха и повернуть диск, на котором крепится задняя противодействующая пружинка, так чтобы стрелка стала на нужное место.
В случае затруднений с выполнением этой операции стрелку прибора можно сдвинуть вправо от нуля при помощи корректора.
Г. Федоров, г. Москва