電壓表

電壓表是一種測量?jì)x器，用于在電路中測量電壓水平，當它與被測電路部分并聯(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期工作時(shí)，最終你將需要使用電壓表來(lái)測量各種電壓水平。用于電壓測量的電壓表有許多形狀和尺寸，無(wú)論是模擬的還是數字的，或作為今天更常用的數字萬(wàn)用表的一部分。

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

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

電壓表可用于測量單個(gè)組件或電源上的電壓降，或者它們可以用于測量電路中兩個(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(mǎn)電的汽車(chē)電池的端子上，它將指示12.6伏。也就是說(shuō)，電池的正負端子之間存在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)測量。

電壓表

最基本的直流模擬電壓表類(lèi)型是“永磁動(dòng)圈”（PMMC）表，也稱(chēng)為達松瓦爾運動(dòng)。

這種類(lèi)型的模擬表運動(dòng)基本上是一種電流測量設備（稱(chēng)為檢流計），可以配置為作為電壓表或電流表操作，主要區別在于它們在電路中的連接方式。

動(dòng)圈運動(dòng)使用固定的永磁體和非常細的線(xiàn)圈，該線(xiàn)圈可以在磁體的磁場(chǎng)內移動(dòng)（因此稱(chēng)為“動(dòng)圈”）。

當連接到電路時(shí)，電流流過(guò)線(xiàn)圈，從而產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)（電磁），該磁場(chǎng)與周?chē)来朋w產(chǎn)生的磁場(chǎng)反應，從而使線(xiàn)圈移動(dòng)。

由于檢流計響應內部電流流動(dòng)，如果我們知道線(xiàn)圈（由銅線(xiàn)繞制）的內部電阻，我們可以簡(jiǎn)單地使用歐姆定律來(lái)確定正在測量的相應電位差。

永磁動(dòng)圈表構造

永磁動(dòng)圈表構造

電磁線(xiàn)圈移動(dòng)的量，稱(chēng)為“偏轉”，與流過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生偏轉針所需磁場(chǎng)的電流強度成正比。

通常有一個(gè)指針或針連接到線(xiàn)圈，因此線(xiàn)圈的運動(dòng)導致指針在線(xiàn)性刻度上偏轉，以指示正在測量的值，偏轉角度與輸入電流成正比。因此，檢流計的指針響應電流而移動(dòng)。

通常使用細螺旋手表運動(dòng)類(lèi)型的阻尼彈簧來(lái)控制偏轉角度，防止可能損壞指針的振蕩或快速運動(dòng)，并在沒(méi)有電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)保持線(xiàn)圈的靜止。

通常指針運動(dòng)在左側的零和刻度最右側的滿(mǎn)量程偏轉（FSD）之間。一些表運動(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)。這對于測量任何極性的電壓很有幫助。

盡管這種PMMC表運動(dòng)對動(dòng)圈中的電流流動(dòng)線(xiàn)性響應，但可以通過(guò)在串聯(lián)電阻中添加電阻來(lái)適應電壓測量。串聯(lián)電阻與動(dòng)圈表運動(dòng)的組合形成一個(gè)直流電壓表，一旦校準，就可以提供準確的結果。

電壓測量

我們在這些教程中看到，當電荷處于平衡狀態(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，我們不僅可以測量?jì)牲c(diǎn)之間流動(dòng)的電流，還可以測量它們之間的電壓差，因為根據歐姆定律，這些量是相互成比例的。因此，使用刻度的電壓表，我們可以測量電路中任意兩點(diǎn)之間的電位差。

但是我們如何將使用電流工作的表轉換為可以用于測量電壓的表。我們之前說(shuō)過(guò)，永磁動(dòng)圈表的偏轉與通過(guò)其動(dòng)圈的電流強度成正比。

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

然而，由于線(xiàn)圈運動(dòng)的設計，大多數PMMC表是非常敏感的設備，其滿(mǎn)量程偏轉電流IG評級可以低至100μA（或更少）。例如，如果動(dòng)圈的電阻值RG為500Ω，則我們可以測量的最大滿(mǎn)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(xiàn)圈運動(dòng)能夠測量更高的電壓值，我們需要找到一種方法將正在測量的電壓降低到表可以處理的值，這是通過(guò)在表的內部線(xiàn)圈電阻上串聯(lián)一個(gè)稱(chēng)為倍增器的電阻來(lái)實(shí)現的。

讓我們假設我們希望使用上述100uA，500Ω檢流計來(lái)測量高達1.0伏的電路電壓。顯然，我們不能直接將表連接到測量1伏，因為正如我們之前所見(jiàn)，它可以測量的最大電壓是50毫伏（50mV）。

但是通過(guò)使用歐姆定律，我們可以計算出串聯(lián)電阻RS的值，當用于測量1伏的電位差時(shí)，它將產(chǎn)生滿(mǎn)量程表運動(dòng)。

使用歐姆定律的電壓表

因此，如果檢流計給出滿(mǎn)量程偏轉的電流為100uA，則所需的串聯(lián)電阻RS計算為9.5kΩ。因此，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地串聯(lián)一個(gè)足夠大的電阻將檢流計轉換為電壓表，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(xiàn)圈的內部電阻RG，以限制通過(guò)線(xiàn)圈繞組的電流強度。表運動(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。

電壓表示例No1

一個(gè)PMMC檢流計的內部線(xiàn)圈電阻為100Ω，并在200 mV時(shí)產(chǎn)生滿(mǎn)量程偏轉。找到所需的倍增電阻，以便表在測量5伏的直流電壓時(shí)給出滿(mǎn)偏轉。

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(guò)根據需要更改倍增電阻的值來(lái)測量任何電壓值，只要我們知道檢流計的電流或電壓滿(mǎn)量程偏轉（FSD）值（IFSD或VFSD）。然后我們需要做的就是重新標記刻度，從零讀取到新的測量電壓值。

這個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)分壓器電路可以進(jìn)一步擴展，在其設計中包含一系列不同的“倍增”電阻，從而允許電壓表通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)用于測量一系列不同的電壓水平。

多量程電壓表設計

我們上面的簡(jiǎn)單直流電壓表可以通過(guò)使用多個(gè)串聯(lián)電阻進(jìn)一步擴展，每個(gè)電阻針對特定電壓范圍大小，可以通過(guò)單個(gè)多極開(kāi)關(guān)逐一選擇，從而允許我們的模擬電壓表用單個(gè)運動(dòng)測量更廣泛的電壓水平。

這種類(lèi)型的電壓表配置稱(chēng)為多量程電壓表，根據開(kāi)關(guān)的位置數選擇范圍，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，如果我們假設上述50mV FSD表需要測量以下電壓范圍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 )給出不是標準優(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。

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

間接多量程電壓表配置

一個(gè)更實(shí)用的設計是間接電壓表配置，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)勢是我們可以使用標準的優(yōu)選值作為倍增電阻。

如果我們再次假設我們的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，要測量的電壓越高，開(kāi)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，因為RTOTAL = 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，但使用標準和優(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建。

顯然，電阻值的選擇最終將取決于所使用的檢流計的FSD和需要測量的電壓水平。無(wú)論哪種方式，都可以通過(guò)連接更高的串聯(lián)倍增電阻和開(kāi)關(guān)來(lái)構建一個(gè)簡(jiǎn)單的多量程模擬直流電壓表。如今大多數數字萬(wàn)用表都是自動(dòng)量程的。

構建直流電壓表時(shí)要注意的最后一點(diǎn)是，理想的電壓表對正在測量的電路部分或組件沒(méi)有影響，因為它將具有無(wú)限的等效電阻。

然而，在實(shí)踐中，測量電壓時(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)之間測量的電壓的效果。

為了最小化這種負載效應，應使用具有高靈敏度的表，即其滿(mǎn)量程偏轉是通過(guò)較低的偏轉電流實(shí)現的，以便用于電壓表的倍增電阻可以盡可能高，以減少通過(guò)PMMC表的電流。電壓表的靈敏度以歐姆/伏特（Ω/V）測量。