電壓表

電壓表是一種測(cè)量?jī)x器，用于在電路中測(cè)量電壓水平，當(dāng)它與被測(cè)電路部分并聯(lián)連接時(shí)。

在分析電氣和電子電路的操作時(shí)，或試圖理解為什么電路不如預(yù)期工作時(shí)，最終你將需要使用電壓表來測(cè)量各種電壓水平。用于電壓測(cè)量的電壓表有許多形狀和尺寸，無論是模擬的還是數(shù)字的，或作為今天更常用的數(shù)字萬用表的一部分。

電壓表也可以用于測(cè)量直流電壓以及正弦交流電壓，但將電壓表作為測(cè)量?jī)x器引入電路可能會(huì)干擾其穩(wěn)態(tài)條件。

顧名思義，“電壓表”是一種用于測(cè)量電壓（V）的儀器，即電路中任意兩點(diǎn)之間存在的電位差。要測(cè)量電壓（電位差），電壓表必須與被測(cè)電壓的組件并聯(lián)連接。

電壓表可用于測(cè)量單個(gè)組件或電源上的電壓降，或者它們可以用于測(cè)量電路中兩個(gè)或更多點(diǎn)或組件上的電壓降之和。

例如，如果我們將電壓表連接到充滿電的汽車電池的端子上，它將指示12.6伏。也就是說，電池的正負(fù)端子之間存在12.6伏的電位差。因此，電壓V總是在電路組件上或與之并聯(lián)測(cè)量。

電壓表

最基本的直流模擬電壓表類型是“永磁動(dòng)圈”（PMMC）表，也稱為達(dá)松瓦爾運(yùn)動(dòng)。

這種類型的模擬表運(yùn)動(dòng)基本上是一種電流測(cè)量設(shè)備（稱為檢流計(jì)），可以配置為作為電壓表或電流表操作，主要區(qū)別在于它們?cè)陔娐分械倪B接方式。

動(dòng)圈運(yùn)動(dòng)使用固定的永磁體和非常細(xì)的線圈，該線圈可以在磁體的磁場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)（因此稱為“動(dòng)圈”）。

當(dāng)連接到電路時(shí)，電流流過線圈，從而產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)（電磁），該磁場(chǎng)與周圍永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)反應(yīng)，從而使線圈移動(dòng)。

由于檢流計(jì)響應(yīng)內(nèi)部電流流動(dòng)，如果我們知道線圈（由銅線繞制）的內(nèi)部電阻，我們可以簡(jiǎn)單地使用歐姆定律來確定正在測(cè)量的相應(yīng)電位差。

永磁動(dòng)圈表構(gòu)造

永磁動(dòng)圈表構(gòu)造

電磁線圈移動(dòng)的量，稱為“偏轉(zhuǎn)”，與流過線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)針?biāo)璐艌?chǎng)的電流強(qiáng)度成正比。

通常有一個(gè)指針或針連接到線圈，因此線圈的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致指針在線性刻度上偏轉(zhuǎn)，以指示正在測(cè)量的值，偏轉(zhuǎn)角度與輸入電流成正比。因此，檢流計(jì)的指針響應(yīng)電流而移動(dòng)。

通常使用細(xì)螺旋手表運(yùn)動(dòng)類型的阻尼彈簧來控制偏轉(zhuǎn)角度，防止可能損壞指針的振蕩或快速運(yùn)動(dòng)，并在沒有電流通過線圈時(shí)保持線圈的靜止。

通常指針運(yùn)動(dòng)在左側(cè)的零和刻度最右側(cè)的滿量程偏轉(zhuǎn)（FSD）之間。一些表運(yùn)動(dòng)具有彈簧中心的指針，零靜止位置在刻度的中間，允許指針在兩個(gè)方向上移動(dòng)。這對(duì)于測(cè)量任何極性的電壓很有幫助。

盡管這種PMMC表運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)圈中的電流流動(dòng)線性響應(yīng)，但可以通過在串聯(lián)電阻中添加電阻來適應(yīng)電壓測(cè)量。串聯(lián)電阻與動(dòng)圈表運(yùn)動(dòng)的組合形成一個(gè)直流電壓表，一旦校準(zhǔn)，就可以提供準(zhǔn)確的結(jié)果。

電壓測(cè)量

我們?cè)谶@些教程中看到，當(dāng)電荷處于平衡狀態(tài)時(shí)，電路中任意兩點(diǎn)之間的電壓為零，如果電流（電荷的運(yùn)動(dòng)）在電路中流動(dòng)，電路中兩個(gè)或更多不同點(diǎn)之間將存在電壓。

使用檢流計(jì)，我們不僅可以測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間流動(dòng)的電流，還可以測(cè)量它們之間的電壓差，因?yàn)楦鶕?jù)歐姆定律，這些量是相互成比例的。因此，使用刻度的電壓表，我們可以測(cè)量電路中任意兩點(diǎn)之間的電位差。

但是我們?nèi)绾螌⑹褂秒娏鞴ぷ鞯谋磙D(zhuǎn)換為可以用于測(cè)量電壓的表。我們之前說過，永磁動(dòng)圈表的偏轉(zhuǎn)與通過其動(dòng)圈的電流強(qiáng)度成正比。

如果其滿量程偏轉(zhuǎn)（FSD）乘以動(dòng)圈的內(nèi)部電阻，則可以使表讀取電壓而不是電流，從而將動(dòng)磁動(dòng)圈表轉(zhuǎn)換為直流電壓表。

然而，由于線圈運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，大多數(shù)PMMC表是非常敏感的設(shè)備，其滿量程偏轉(zhuǎn)電流IG評(píng)級(jí)可以低至100μA（或更少）。例如，如果動(dòng)圈的電阻值RG為500Ω，則我們可以測(cè)量的最大滿量程電壓僅為50mV（V = I*R = 100μA x 500Ω）。

因此，為了使PMMC電壓表的敏感線圈運(yùn)動(dòng)能夠測(cè)量更高的電壓值，我們需要找到一種方法將正在測(cè)量的電壓降低到表可以處理的值，這是通過在表的內(nèi)部線圈電阻上串聯(lián)一個(gè)稱為倍增器的電阻來實(shí)現(xiàn)的。

讓我們假設(shè)我們希望使用上述100uA，500Ω檢流計(jì)來測(cè)量高達(dá)1.0伏的電路電壓。顯然，我們不能直接將表連接到測(cè)量1伏，因?yàn)檎缥覀冎八姡梢詼y(cè)量的最大電壓是50毫伏（50mV）。

但是通過使用歐姆定律，我們可以計(jì)算出串聯(lián)電阻RS的值，當(dāng)用于測(cè)量1伏的電位差時(shí)，它將產(chǎn)生滿量程表運(yùn)動(dòng)。

使用歐姆定律的電壓表

因此，如果檢流計(jì)給出滿量程偏轉(zhuǎn)的電流為100uA，則所需的串聯(lián)電阻RS計(jì)算為9.5kΩ。因此，可以通過簡(jiǎn)單地串聯(lián)一個(gè)足夠大的電阻將檢流計(jì)轉(zhuǎn)換為電壓表，如圖所示。

電壓表串聯(lián)電阻

電壓表串聯(lián)電阻

注意，這個(gè)串聯(lián)電阻RS將始終高于線圈的內(nèi)部電阻RG，以限制通過線圈繞組的電流強(qiáng)度。表運(yùn)動(dòng)與這個(gè)外部串聯(lián)電阻的組合然后形成一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬電壓表的基礎(chǔ)。

電壓表示例No1

一個(gè)PMMC檢流計(jì)的內(nèi)部線圈電阻為100Ω，并在200 mV時(shí)產(chǎn)生滿量程偏轉(zhuǎn)。找到所需的倍增電阻，以便表在測(cè)量5伏的直流電壓時(shí)給出滿偏轉(zhuǎn)。

電壓表串聯(lián)電阻

因此，所需的串聯(lián)電阻值為2.4kΩ

我們可以使用這種方法通過根據(jù)需要更改倍增電阻的值來測(cè)量任何電壓值，只要我們知道檢流計(jì)的電流或電壓滿量程偏轉(zhuǎn)（FSD）值（IFSD或VFSD）。然后我們需要做的就是重新標(biāo)記刻度，從零讀取到新的測(cè)量電壓值。

這個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)分壓器電路可以進(jìn)一步擴(kuò)展，在其設(shè)計(jì)中包含一系列不同的“倍增”電阻，從而允許電壓表通過撥動(dòng)開關(guān)用于測(cè)量一系列不同的電壓水平。

多量程電壓表設(shè)計(jì)

我們上面的簡(jiǎn)單直流電壓表可以通過使用多個(gè)串聯(lián)電阻進(jìn)一步擴(kuò)展，每個(gè)電阻針對(duì)特定電壓范圍大小，可以通過單個(gè)多極開關(guān)逐一選擇，從而允許我們的模擬電壓表用單個(gè)運(yùn)動(dòng)測(cè)量更廣泛的電壓水平。

這種類型的電壓表配置稱為多量程電壓表，根據(jù)開關(guān)的位置數(shù)選擇范圍，例如，4位，5位等。

直接多量程電壓表配置

在這種電壓表配置中，多量程電壓表的每個(gè)倍增電阻RS如前所述與表串聯(lián)連接，以提供所需的電壓范圍。因此，如果我們假設(shè)上述50mV FSD表需要測(cè)量以下電壓范圍10V，50V，100V，250V和500V，則所需的串聯(lián)電阻如前所述計(jì)算為：

電壓表電阻值

給出一個(gè)直接多量程電壓表電路：

直接多量程電壓表

雖然這種直接電壓表配置在讀取我們的電壓范圍時(shí)非常有效，但為了獲得表的正確FSD所需的倍增電阻值可能會(huì)給出不是標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選值的電阻值，或者需要將電阻焊接在一起以產(chǎn)生確切的值。

我們計(jì)算的99.5kΩ到4.9995MΩ的值不是常見的電阻值，因此我們需要找到上述電壓表設(shè)計(jì)的變體，該設(shè)計(jì)將使用更常見的電阻值。

間接多量程電壓表配置

一個(gè)更實(shí)用的設(shè)計(jì)是間接電壓表配置，其中一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)電阻與表串聯(lián)連接以提供所需的電壓范圍。這里的優(yōu)勢(shì)是我們可以使用標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)選值作為倍增電阻。

如果我們?cè)俅渭僭O(shè)我們的50mV FSD表和電壓范圍10V，50V，100V，250V和500V，則所需的串聯(lián)倍增電阻計(jì)算為：

倍增電阻值

給出一個(gè)間接多量程電壓表電路：

間接多量程電壓表

然后我們可以看到，使用這種間接5量程電壓表配置，要測(cè)量的電壓越高，開關(guān)選擇的倍增電阻越多。與PMMC表串聯(lián)的總電阻將是電阻的總和，因?yàn)镽TOTAL = RS1 + RS2 + RS3 ...等。

顯然，雖然兩種電路，直接和間接電壓表配置都能夠讀取相同的電壓水平，但使用標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)選電阻值400kΩ，500kΩ，1M5Ω和2M5Ω電阻使間接方法更容易和更便宜構(gòu)建。

顯然，電阻值的選擇最終將取決于所使用的檢流計(jì)的FSD和需要測(cè)量的電壓水平。無論哪種方式，都可以通過連接更高的串聯(lián)倍增電阻和開關(guān)來構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的多量程模擬直流電壓表。如今大多數(shù)數(shù)字萬用表都是自動(dòng)量程的。

構(gòu)建直流電壓表時(shí)要注意的最后一點(diǎn)是，理想的電壓表對(duì)正在測(cè)量的電路部分或組件沒有影響，因?yàn)樗鼘⒕哂袩o限的等效電阻。

然而，在實(shí)踐中，測(cè)量電壓時(shí)，將電壓表連接到電路，特別是高電阻電路，可能會(huì)降低電路的有效電阻，因此具有降低兩點(diǎn)之間測(cè)量的電壓的效果。

為了最小化這種負(fù)載效應(yīng)，應(yīng)使用具有高靈敏度的表，即其滿量程偏轉(zhuǎn)是通過較低的偏轉(zhuǎn)電流實(shí)現(xiàn)的，以便用于電壓表的倍增電阻可以盡可能高，以減少通過PMMC表的電流。電壓表的靈敏度以歐姆/伏特（Ω/V）測(cè)量。