ولت متر

ولت­ متر یک ابزار اندازه­‌گیری است که در صورت اتصال موازی با بخشی از مدار مورد اندازه­‌گیری، برای یافتن سطوح ولتاژ در مدارهای الکتریکی، استفاده می‌­شود.

هنگام تجزیه و تحلیل عملکرد مدارهای الکتریکی و الکترونیکی یا تلاش برای درک اینکه چرا یک مدار مطابق انتظار کار نمی­‌کند، در نهایت باید از یک ولت ­متر برای اندازه­‌گیری سطوح مختلف ولتاژ استفاده کنید. ولت­ مترهای مورد استفاده برای اندازه‌­گیری ولتاژ در اشکال و اندازه‌­های مختلف، آنالوگ یا دیجیتال، یا به عنوان بخشی از مولتی‌­متر دیجیتال که امروزه بیشتر مورد استفاده قرار می­‌گیرد، وجود دارند.

ولت­‌متر می‌­تواند برای اندازه‌­گیری ولتاژ DC و همچنین ولتاژ AC سینوسی استفاده شود، اما معرفی یک ولت­ متر به عنوان یک ابزار اندازه­‌گیری در مدار می‌­تواند با شرایط حالت پایدار آن تداخل ایجاد کند.

همانطور که از نام آن پیداست، “ولت­ متر” ابزاری است که برای اندازه­‌گیری ولتاژ (V) استفاده می‌­شود، که اختلاف پتانسیل موجود بین هر دو نقطه در مدار است.

برای اندازه­‌گیری ولتاژ، ولت ­متر باید موازی با قطعه‌­ای که می­‌خواهید ولتاژ آن را اندازه‌­گیری کنید، وصل شود.

ولت­‌مترها را می­‌توان برای اندازه­‌گیری افت ولتاژ در یک قطعه یا منبع واحد استفاده کرد، یا می‌­توان از آن­ها برای اندازه­‌گیری مجموع افت ولتاژ در دو یا چند نقطه یا قطعه در یک مدار بکار برد.

به عنوان مثال، اگر یک ولت ­متر را به پایانه‌­های یک باتری خودرو کاملاً شارژ شده وصل کنیم، 12.6 ولت را نشان می­‌دهد. یعنی اختلاف پتانسیل 12.6 ولتی بین پایانه‌های مثبت و منفی باتری وجود دارد. بنابراین، ولتاژ V همیشه در عرض یا موازی با یک قطعه مدار اندازه­‌گیری می‌­شود.

ابتدایی‌­ترین نوع ولت­ متر آنالوگ DC، سنجشگر (meter) “سیم‌پیچ متحرک مغناطیس دائم” (PMMC) است که به عنوان سنجش‌گر آرسنوال (D’Arsonval) نیز شناخته می­‌شود.

این نوع سنجش‌گر آنالوگ، اساساً یک دستگاه اندازه‌­گیری جریان (به نام گالوانومتر) است که می­‌تواند به صورت ولت­‌متر یا آمپرمتر پیکربندی شود، تفاوت اصلی در نحوه اتصال آن­ها در یک مدار است.

سنجش‌گر سیم­ پیچ متحرک از یک آهنربای دائمی ثابت و یک سیم­ پیچ با سیم بسیار نازک استفاده می­‌کند که اجازه حرکت (از این رو “سیم‌­پیچ متحرک”) در میدان مغناطیسی آهنربا را می­‌دهد.

هنگامی که به یک مدار متصل می‌­شود، جریان الکتریکی از طریق سیم ­پیچ جریان می‌یابد و به نوبه خود میدان مغناطیسی (الکترومغناطیس) خود را ایجاد می­‌کند که در برابر میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنربای دائمی واکنش نشان داده و در نتیجه باعث حرکت سیم‌­پیچ می‌­شود.

از آنجایی که گالوانومتر به عبور داخلی جریان پاسخ می‌­دهد، اگر مقاومت داخلی سیم‌پیچ (ناشی از سیم مسی) را بدانیم، می­‌توانیم به سادگی از قانون اهم برای تعیین اختلاف پتانسیل مربوطه که اندازه‌­گیری می­‌شود، استفاده کنیم.

ساختار سنجشگر سیم‌پیچ متحرک مغناطیس دائم

مقدار حرکت سیم پیچ الکترومغناطیسی که «انحراف» نامیده می‌­شود، متناسب با قدرت جریان عبوری از سیم­ پیچ است که برای تولید میدان مغناطیسی لازم برای انحراف سوزن لازم است.

به طور کلی، یک عقربه یا سوزن به سیم‌­پیچ متصل است بنابراین حرکت سیم ­پیچ باعث می­‌شود که عقربه در یک مقیاس خطی منحرف شود تا مقدار اندازه­‌گیری شده را با زاویه انحراف متناسب با جریان ورودی، نشان دهد. بنابراین عقربه گالوانومتر در پاسخ به جریان حرکت می‌­کند.

معمولاً از فنرهای ضربه­‌گیر نوع حرکت ساعت مارپیچ نازک (thin helical watch movement type damping springs) برای کنترل زاویه انحراف استفاده می‌­شود که از نوسانات یا حرکات سریع که می‌­تواند به عقربه آسیب برساند، جلوگیری کرده و همچنین حرکت سیم­‌پیچ را در حالت استراحت زمانی که جریانی از سیم ­پیچ عبور نمی‌کند، حفظ می­‌کند.

به طور کلی حرکت عقربه بین صفر در سمت چپ و انحراف کامل (FSD) در منتهی الیه سمت راست مقیاس، است. برخی از سنجه‌­ها دارای یک عقربه در مرکز فنر با موقعیت استراحت صفر در وسط مقیاس هستند که امکان حرکت عقربه در هر دو جهت را فراهم می­‌کند. این ساختار برای اندازه­ گیری ولتاژ با دو قطبیت مفید است.

اگرچه این سنجشگر PMMC به صورت خطی به جریان عبوری در سیم پیچ متحرک پاسخ می­‌دهد، می­‌توان آن را برای اندازه­‌گیری ولتاژ با افزودن یک مقاومت به صورت سری با حرکت سیم­‌پیچ­‌ها، سازگار کرد. ترکیب یک مقاومت سری با سنجشگر سیم­‌پیچ متحرک، یک ولت­متر DC را تشکیل می­‌دهد که می‌­تواند پس از کالیبره شدن نتایج دقیقی را ارائه دهد.

اندازه گیری ولتاژ

در مقاله های مفاهیم پایه الکترونیک آموختیم که وقتی بارهای الکتریکی در حالت تعادل هستند، ولتاژ بین هر دو نقطه از مدار صفر است و اگر جریانی (حرکت بار) در مدار جریان داشته باشد، ولتاژی بین دو یا چند نقطه مختلف مدار وجود خواهد داشت.

با استفاده از گالوانومتر، نه تنها جریان بین دو نقطه، بلکه اختلاف ولتاژ بین آن­ها را نیز می‌توان اندازه‌گیری کرد، زیرا طبق قانون اهم، این مقادیر با یکدیگر متناسب هستند. بنابراین، با استفاده از یک ولت­ متر مدرج می­‌توانیم اختلاف پتانسیل بین هر دو نقطه از مدار را اندازه­‌گیری کنیم.

اما چگونه یک سنجش گر را که با استفاده از جریان کار می­‌کند به سنجشگری تبدیل کنیم که بتوان از آن برای اندازه ­گیری ولتاژ استفاده کرد؟ قبلاً گفتیم که انحراف سنجشگر سیم ­پیچ متحرک آهنربای دائم متناسب با قدرت جریان عبوری از سیم‌­پیچ متحرک آن است.

اگر انحراف در مقیاس کامل (FSD) در مقاومت داخلی سیم­‌پیچ‌های متحرک ضرب شود، می‌توان سنجش‌گر را به‌جای جریان، ولتاژ خواند و در نتیجه سنجشگر سیم‌پیچ متحرک آهنربای متحرک را به یک ولت­ متر DC تبدیل کرد.

با این حال، به دلیل طراحی حرکت سیم‌­پیچ، بیشتر سنجشگرهای PMMC دستگاه‌هایی بسیار حساس هستند که می‌توانند جریان انحراف در مقیاس کامل IG نامی تا 100µA (یا کمتر) داشته باشند. به عنوان مثال، اگر مقدار مقاومت سیم­‌پیچ­‌های متحرک  RG برابر 500Ω باشد، حداکثر ولتاژ در مقیاس کامل که می‌­توانیم اندازه‌­گیری کنیم تنها 50 میلی ولت خواهد بود (V = I*R = 100µA × 500Ω).

بنابراین، برای اینکه حرکت سیم ­پیچ حساس یک ولت­متر PMMC مقادیر ولتاژ بالاتر را اندازه‌­گیری کند، باید راهی برای کاهش ولتاژ اندازه­‌گیری شده به مقداری که سنجشگر می‌­تواند انجام دهد، پیدا کنیم و این با قرار دادن یک مقاومت به نام ضرب­ کننده به صورت سری با مقاومت سیم ­پیچ داخلی سنجش‌گر، به دست می‌­آید.

بیایید فرض کنیم که می‌خواهیم از گالوانومتر 100uA، 500Ω در بالا برای اندازه‌گیری ولتاژ مدار تا 1.0 ولت استفاده کنیم. واضح است که نمی‌توانیم سنجشگر را مستقیماً برای اندازه‌گیری 1 ولت وصل کنیم، زیرا همانطور که قبلاً دیدیم، حداکثر ولتاژی که می‌تواند اندازه‌گیری کند 50 میلی‌ولت (50mV) است. اما با استفاده از قانون اهم می‌توان مقدار مقاومت سری، RS مورد نیاز را محاسبه کرد که در صورت استفاده برای اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل یک ولت، یک سنجشگر در مقیاس کامل ایجاد می‌کند.

اگر جریانی که گالوانومتر برای آن انحراف در مقیاس کامل می­‌دهد 100uA باشد، مقاومت سری RS مورد نیاز 9.5kΩ محاسبه می­‌شود. بنابراین یک گالوانومتر را می­‌توان به سادگی با اتصال یک مقاومت به اندازه کافی به صورت سری به آن، به یک ولت­ متر تبدیل کرد.

مقاومت سری ولت متر

توجه داشته باشید که این مقاومت سری RS همیشه بزرگتر از مقاومت داخلی سیم ­پیچ، RG خواهد بود تا قدرت جریان در سیم­‌پیچ ­ها را محدود کند. بنابراین ترکیب سنجشگر با این مقاومت سری خارجی اساس یک ولت­متر آنالوگ ساده را تشکیل می‌­دهد.

مثال ۱- ولت متر

یک گالوانومتر PMMC دارای مقاومت سیم ­پیچ داخلی 100 اهم است و یک انحراف در مقیاس کامل برای 200 میلی ­ولت ایجاد می‌­کند. مقاومت ضرب ­کننده مورد نیاز را پیدا کنید تا هنگام اندازه‌گیری ولتاژ 5 ولت DC، سنجشگر انحراف کامل داشته باشد.

بنابراین مقاومت سری مورد نیاز، 2.4kΩ است.

می‌توانیم از این روش برای اندازه‌گیری هر مقدار ولتاژ با تغییر مقدار مقاومت‌های ضرب‌کننده در صورت لزوم استفاده کنیم، مشروط بر اینکه مقادیر انحراف در مقیاس کامل (FSD) جریان یا ولتاژ گالوانومتر (IFSD یا VFSD) را بدانیم. سپس تنها کاری که باید انجام دهیم این است که مقیاس را مجدداً برچسب گذاری کنیم تا از صفر به مقدار ولتاژ اندازه­‌گیری شده جدید را بخواند.

این مدار تقسیم کننده ولتاژ سری ساده را می­‌توان بیشتر گسترش داد تا طیفی از مقاومت­‌های “ضرب­ کننده” مختلف را در طراحی خود داشته باشد و در نتیجه به ولت­ متر اجازه ­دهد تا محدوده­‌ای از سطوح مختلف ولتاژ را در یک حرکت سوئیچ اندازه‌گیری کند.

طراحی ولت متر چند دامنه‌ای (Multi-Range)

ولت متر DC ساده بالا را می­‌توان با استفاده از تعدادی مقاومت سری که هر کدام برای محدوده ولتاژ خاصی انتخاب می­‌شوند، بیشتر گسترش داد، و می­‌توان آن­ها را تک به تک توسط یک سوئیچ چند پل انتخاب کرد و بنابراین به ولت­ متر آنالوگ اجازه اندازه‌­گیری محدوده وسیع­تری از سطوح ولتاژ با یک حرکت واحد را می‌­دهد.

به این نوع پیکربندی ولت­ متر، ولت­ متر چند دامنه‌­ای گفته می­‌شود که محدوده­‌های آن بسته به تعداد موقعیت سوئیچ انتخاب می­‌شود، به عنوان مثال، ۴ موقعیت، ۵ موقعیت و غیره.

پیکربندی ولت متر مولتی رنج مستقیم

در این پیکربندی ولت‌­متر، هر مقاومت ضرب­ کننده RS ولت­ متر چند دامنه‌­ای، به صورت سری به سنجشگر وصل می­‌شود تا محدوده ولتاژ مورد نظر را ارائه دهد. بنابراین، اگر فرض کنیم سنجشگر 50mV FSD بالا برای اندازه­‌گیری محدوده ولتاژ 10 ولت، 50 ولت، 100 ولت، 250 ولت و 500 ولت مورد نیاز است، مقاومت­ های سری مورد نیاز مانند قبل محاسبه می‌­شوند:

که منجر به مدار ولت­ متر چند دامنه‌­ای مستقیم به صورت زیر می­‌شود:

در حالی که این پیکربندی ولت­ متر مستقیم برای خواندن محدوده ولتاژهای مورد نظر بسیار خوب عمل می‌­کند، مقادیر مقاومت ضرب­ کننده مورد نیاز برای به دست آوردن FSD درست سنجشگر برای محدوده ­های محاسبه شده، می‌­تواند مقادیر مقاومتی را ارائه دهد که مقادیر ترجیحی استاندارد نیستند یا نیاز به لحیم شدن مقاومت‌­ها به یکدیگر برای تولید مقدار دقیق را دارند.

مقادیر محاسبه‌شده ما از 99.5kΩ تا 4.9995MΩ، مقادیر مقاومت رایج نیستند، بنابراین ما باید یک تغییر از طراحی ولت­متر بالا را پیدا کنیم که از مقادیر مقاومت رایج‌تر در دسترس استفاده کند.

پیکربندی ولت‌متر چند دامنه‌ای غیر مستقیم (Indirect Multi-range)

یک طراحی کاربردی­تر، پیکربندی غیرمستقیم ولت­متر است که در آن یک یا چند مقاومت سری در یک زنجیره سری با سنجشگر به هم متصل می­‌شوند تا محدوده ولتاژ مورد نظر را ارائه دهند. مزیت در اینجا این است که می­توانیم از مقادیر ترجیحی استاندارد برای مقاومت­‌های ضرب­ کننده استفاده کنیم.

اگر دوباره سنجشگر 50mV FSD و محدوده ولتاژهای 10 ولت، 50 ولت، 100 ولت، 250 ولت و 500 ولت را فرض کنیم، مقاومت­ های ضرب­ کننده سری مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می‌­شوند:

که منجر به مدار ولت­ متر چند دامنه ­ای غیر مستقیم زیر می­‌شود:

می‌توان دید که با این پیکربندی ولت‌متر 5 دامنه‌­ای غیرمستقیم، هر چه ولتاژ اندازه‌گیری بالاتر باشد، مقاومت‌های ضرب­ کننده بیشتری توسط سوئیچ انتخاب می‌شود. مقاومت کل متصل به صورت سری با سنجشگر PMMC، مجموع مقاومت­‌ها خواهد بود، زیرا RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3 … است.

واضح است که در حالی که دو مدار، پیکربندی ولت­ متر مستقیم و غیرمستقیم، هر دو قادر به خواندن سطوح ولتاژ یکسان هستند، استفاده از مقادیر مقاومت استاندارد و ترجیحی 400kΩ، 500kΩ، 1M5Ω و2M5Ω ، ساخت روش غیرمستقیم را آسان‌تر و ارزان‌تر می‌کند.

انتخاب مقادیر مقاومت در نهایت به FSD گالوانومتر مورد استفاده و سطوح ولتاژی که باید اندازه‌گیری شوند، بستگی دارد. در هر صورت، یک ولت­متر آنالوگ DC ساده چند دامنه‌­ای را می‌­توان با اتصال مقاومت ­های ضرب کننده سری بیشتر و یک سوئیچ ساخت. اکثر مولتی­مترهای دیجیتال این روزها دارای محدوده خودکار هستند.

آخرین نکته­‌ای که در ساخت ولت­ متر DC باید به آن توجه کرد این است که یک ولت‌متر ایده‌­آل هیچ تاثیری بر قسمتی از مدار یا قطعه‌­ای که اندازه­‌گیری می‌­شود، نخواهد داشت زیرا مقاومت معادل بی­نهایت دارد.

اما در عمل هنگام اندازه­‌گیری ولتاژ، اتصال ولت­ متر به مدار، به خصوص مدار با مقاومت بالا، می­‌تواند مقاومت موثر مدار را کاهش دهد و در نتیجه باعث کاهش ولتاژ اندازه‌­گیری شده بین دو نقطه شود.

برای به حداقل رساندن این اثر بارگذاری، باید از سنجشگری با حساسیت بالا استفاده کرد، یعنی انحراف در مقیاس کامل آن با جریان انحراف کمتری به دست ‌آید تا مقاومت ضرب ­کننده مورد استفاده برای ولت­متر تا حد امکان بالا باشد و جریان عبوری از سنجشگر PMMC کاهش یابد. حساسیت یک ولت‌­متر بر حسب اهم/ولت (Ω/V) اندازه­‌گیری می‌­شود.