Вольтметр - электротехнический словарь на букву В

Вольтметром называется электрический прибор, который предназначен для измерения ЭДС, читай напряжения, участка электрической цепи. Вольтметр в электрической цепи обозначается кружком, в котором ставится латинская буква V или русская В, что читается как "вольт". В честь известного ученого Алессандро Вольта.

Таким образом, вольтметр измеряет напряжение в единицах вольтах

Продолжая тему истории можно сказать, что первый аналог вольтметра был изобретен русским ученым Рихманом Г.В. в 18 веке. Тот прибор назывался "указателем электрической силы" и его принцип действия заложен до сих пор в работе электростатического вольтметра.

Как включается вольтметр в цепь

Вольтметр включается в цепь параллельно измеряемому участку цепи. Ниже приведена простая схема включения вольтметра в цепь и схема включения через измерительный трансформатор.

Типы вольтметров

Вольтметры имеют широкий спектр видов, в зависимости от принципа действия и области применения.

По классу измеряемого напряжения

• - нановольтметр (для измерения сверхнизких напряжений, вплоть до 1нВ, и может использоваться в научных и метрологических целях)
• - микровольтметр
• - милливольтметр
• - вольтметр (12, 24, 30, 100, 220, 300, 500 В)
• - киловольтметр (для определения величин напряжения порядка единиц-десятков киловольт, может использоваться при проведении испытаний высоковольтного оборудования)
• - векторметр (прибор, измеряющий силу тока, напряжение и угол сдвига фаз и может использоваться при испытании магнитных свойств сталей и лабораторных исследованиях сложных схем и устройств)
• - селективные вольтметры служат для измерения переменного напряжения в диапазоне частот от 20 Гц до 35 Мгц, согласно ГОСТ 9781-85

По принципу действия

(принцип действия вольтметра схож с принципом действия амперметра, который подробно расписан по ссылке)

• - электромеханические вольтметры
• - магнитоэлектрические Мxx (этот тип вольтметров достаточно точен и имеет высокую чувствительность, однако, на показания сильно влияет форма кривой напряжения и используются только для цепей постоянного тока)
• - электромагнитные Эxx (используются как щитовые приборы, просты в изготовлении, потребляют около 5 Вт мощности и их показания сильно зависят от частоты)
• - электродинамические Дxx (наиболее точные, измеряют действующее значение напряжения постоянного и переменного тока)
• - электростатические Сxx (используются для измерения высоких напряжений постоянной и переменной величины)
• - выпрямительные (измерение напряжений низких частот,)
• - термоэлектрические Тxx (имеют низкое входное сопротивление и малую перегрузочную способность)
• - электронные Фxx, Щxx
• - аналоговые
• - цифровые

По назначению

• - постоянного тока
• - переменного тока
• - импульсные
• - фазочувствительные
• - селективные
• - универсальные

По конструкции

• - щитовые
• - переносные
• - стационарные

Вольтметр с растянутой шкалой

Схема вольтметра с растянутой шкалой позволит измерить небольшие отклонения напряжения (дельта U) относительно входного напряжения. Для обыкновенного вольтметра эта задача не является простой.

Где может использоваться схема вольтметра с растянутой шкалой?

• - контроль напряжения питающей сети
• - контроль напряжения на регулирующей аппаратуре
• - оценка разряженности аккумуляторных батарей

С помощью стабилитрона Д1 расширяется рабочий участок шкалы вольтметра. Пороговое значение напряжения стабилитрона Д1 составит UCT = U - ДU. Когда входное напряжение достигает порогового значения, то стабилитрон пробивается. Ток через стабилитрон увеличивается, а напряжение изменяется не на много. Второй встречный стабилитрон Д2 включается встречно и такое включение позволяет уменьшить температурную нестабильность.

Входное напряжение делится между резистором R и стабилитронами. Так как падение напряжения на стабилитронах остается неизменным, то падение напряжения на резисторе будет равно разности входного напряжения и напряжения стабилитрона.

Сопротивление резистора определяют, как R=2ДU/Iст.макс

где 2ДU – предел измерения прибора, Iстаб- ток стабилизации

При конструировании, ремонте и отладке различной радиоаппаратуры нередко даже опытные радиолюбители совершают элементарные ошибки, которые заканчиваются плачевным финалом для эксплуатируемых ими измерительных приборов. Одна из таких ошибок – извечное радиолюбительское желание измерить сетевое напряжение 220 В, не переключив авометр на соответствующий род работ.

Это несложное устройство, принципиальная электрическая схема которого показана на рис.1, предназначено для контроля сетевого напряжения переменного тока 220 В. Устройство может занять достойное место в радиолюбительской мини$лаборатории или найти применение при доработке различной промышленной бытовой аппаратуры.

Рис.1. Схема вольтметра сетевого напряжения с растянутой шкалой

В качестве прототипа использовалось авторское устройство, описание которого можно найти на страницах журнала “Электрик” . Предлагаемое устройство, в дополнение к функции индикации стрелочным микроамперметром сетевого напряжения, имеет возможность прерывистым звуковым сигналом информировать оператора о значительном превышении сетевого напряжения. Этот несложный узел также можно использовать и для доработки устройств автоматического отключения потребителей электроэнергии от сети, повысив их функциональность.

Устройство питается от сети переменного тока 220 В. Избыток энергии сетевого напряжения гасится высоковольтным пленочным конденсатором C1, далее пониженное напряжение через токоограничительный резистор R4 поступает на однополупериодный выпрямитель напряжения, выполненный на диоде VD2 и светодиодах HL1–HL3. Выпрямленное напряжение ограничивается термокомпенсированным стабилитроном VD3, а пульсации выпрямленного напряжения фильтруются оксидным конденсатором C4.

Устройство работает следующим образом. Сетевое напряжение через выпрямительный диод VD1 и ограничительный резистор R1 поступает на конденсатор фильтра выпрямленного напряжения C2. Напряжение, до которого заряжается этот конденсатор, почти прямо пропорционально зависит от напряжения сети. Шкалу малогабаритного микроамперметра для отображения величины сетевого напряжения желательно сделать растянутой, например, разместив на ней наиболее важный участок со значениями 180…250 В.

Транзистор VT1 работает как микромощный микротоковый стабилитрон с напряжением стабилизации около 40…50 В. Пока напряжение на его переходе меньше напряжения обратимого лавинного пробоя, этот транзистор закрыт, напряжение на выводе затвора VT2 относительно общего провода почти равно нулю, VT2 закрыт, показания микроамперметра PA1 минимальны. Также будет закрыт и транзистор VT3.

Когда напряжение на эмиттерном переходе VT1 станет больше порогового, этот транзистор откроется, откроется и истоковый повторитель на VT2, стрелка микроамперметра отклонится. Чем больше сетевое напряжение, тем на больший угол отклоняется стрелка от начального положения. В случае, если напряжение сети значительно превышает допустимую норму, например 260 В, напряжение на выходе истокового повторителя на VT2 достаточно для открывания p7канального полевого транзистора VT3. В результате мигающий светодиод HL4 вспыхивает, в такт его вспышкам пищит звуковой пьезокерамический излучатель со встроенным генератором HА1. Порог включения звуковой сигнализации устанавливают регулировкой подстроечного резистора R9. Светодиоды зеленого цвета свечения HL1–HL3 кроме выполняемой ими функции выпрямления сетевого напряжения подсвечивают шкалу прибора.

Детали. Резистор R4 желательно применить невозгораемый Р177 или аналогичный импортный разрывной. Остальные постоянные резисторы любые малогабаритные, например, С174, МЛТ, С2723, С2733. Подстроечные резисторы СП471, РП1763, СП3738 или аналогичные малогабаритные импортные. После окончательной настройки устройства подстроечные резисторы желательно заменить постоянными, что повысит долговременную точность настройки измерителя. Конденсатор C1 на рабочее напряжение не менее 630 В. Подойдут отечественные полиэтилентерефталатные К73717, К73724, К73739. Также в качестве C1 можно применить и пару последовательно включенных импортных конденсаторов типа GPF 250V~X2 емкостью 0,47 мкФ. Конденсатор C3 – любой малогабаритный керамический, а C4 – импортный аналог К5035.

Диоды 1N4004 можно заменить любыми из серий КД209, КД243Г–Ж, КД247В–Д, КД105Б–Г. Стабилитрон Д818Г можно заменить любым из этой серии или КС482А, КС510А, КС191М, Д814Б. Применение стабилитрона в миниатюрном стеклянном корпусе нежелательно. Светодиоды HL1–HL3 можно заменить практически любыми с допустимым прямым током от 20 мА, видимого цвета свечения, например, КИПД66Д7Л, КИПД24Ж7Л, АЛ307Н7М. Мигающий светодиод HL4 можно заменить любым из серий L56B, L36В, L796B и другими.

Биполярные транзисторы серии КТ501 не совсем обычные, они допускают относительно высокое напряжение база–эмиттер. Без значительной корректировки сопротивления резистора R2 можно использовать транзисторы КТ501Ж–КТ501М. При отсутствии такого или аналогичного транзистора микротоковый стабилитрон на 30…50 В можно изготовить из нескольких транзисторов типов КТ315, КТ312. Полевые транзисторы КП501Б заменимы любыми из этой серии или КП504, КП505, К1014КТ1, ZVN2120.

Автор использовал микроамперметр типа М4761 с сопротивлением рамки около 900 Ом, взятый из старого неисправного бытового катушечного магнитофона “Сатурн”. Подойдут и другие аналогичные микроамперметры от индикаторов уровня записи/воспроизведения. Применение в качестве VT2 полевого транзистора делает практически независимыми ранее выставленные настройки (кроме регулировки R7) от типа применяемого стрелочного индикатора. Пьезокерамический излучатель звука можно заменить потребляющими небольшой ток EFM7473, EFM7475, EFM7250.

Рис.2. Эскиз печатной платы

Настройка устройства сводится к установке требуемых чувствительности прибора и “растянутости” его шкалы, что достигается подбором и регулировкой сопротивлений резисторов R2, R3, R5, R7. Резистором R10 можно установить желаемую громкость сигнала звукового излучателя HA1. Эскиз печатной платы показан на рис.2.

Литература

1. Бутов А.Л. Вольтметр сетевого напряжения с растянутой шкалой//Электрик. – 2002. – №7. – С.14.

2. Бутов А.Л. Устройство контроля напряжения сети//Схемотехника. – 2003. – №2. – С.44.

А.Л. Бутов, Ярославская обл.
Радіоаматор 2005 №08

Прибор будет полезен автолюбителям для измерения с высокой точностью напряжения на аккумуляторе, но он может найти и другие применения, где требуется контролировать напряжение в интервале 10...15 В с точностью 0,01 В.

Рис. 1 Вольтметр с растянутой шкалой

Известно, что о степени заряженности автомобильного аккумулятора можно судить по его напряжению. Так, у полностью разряженного, разряженного наполовину и полностью заряженного аккумулятора оно соответствует 11,7, 12,18 и 12,66В.

Для того чтобы измерить напряжение с такой точностью, нужен либо цифровой вольтметр, или стрелочный с растянутой шкалой, позволяющий контролировать интересующий нас интервал.

Схема, приведенная на рис. 1, позволяет, используя любой микроамперметр со шкалой 50 мкА или 100 мкА, сделать из него вольтметр со шкалой измерения 10...15 В.

Схема вольтметра не боится неправильного подключения полярности к измеряемой цепи (в этом случае показания прибора не будут соответствовать измеряемой величине).

Для предохранения микроамперметра РА1 от повреждения при перевозках используется включатель S1, который при закорачивании выводов измерительного прибора препятствует колебаниям стрелки.

В схеме использован прибор РА1 с зеркальной шкалой, типа М1690А (50 мкА), но подойдут и, многие другие. Прецизионный стабилитрон VD1 (Д818Д) может быть с любой последней буквой в обозначении. Подстроечные резисторы лучше использовать многооборотные, например R2 типа СПЗ-36, R5 типа СП5-2В.

Для настройки схемы потребуется блок питания с регулируемым выходным напряжением О...15 В и образцовый вольтметр (удобней, если он будет цифровым). Настройка заключается в том, чтобы, подключив блок питания к зажимам Х1, Х2 и постепенно увеличивая напряжение до 10 В, добиться резистором R5 "нулевого" положения стрелки прибора РА1. После этого напряжение источника питания увеличиваем до 15 В и резистором R2 устанавливаем стрелку на предельное значение шкалы измерительного прибора. На этом настройку можно считать законченной.

Рис. 2. Схема для более точного измерения сетевого напряжения

На основе данной схемы прибор можно выполнить многофункциональным. Так, если выводы микроамперметра подключать к схеме через галетный переключатель 6П2Н, можно сделать режим обычного вольтметра, подобрав добавочный резистор, а также тестер для проверки цепей и предохранителей.

Прибор можно дополнить схемой (рис. 2) для измерения перемен- ного сетевого напряжения. При этом шкала у него будет от 200 до 300 В, что позволяет более точно измерять сетевое напряжение.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
VD1	Стабилитрон	Д814Д	1			В блокнот
R1, R3, R4	Резистор	270 Ом	3	1 Ватт		В блокнот
R2	Подстроечный резистор	100 кОм	1			В блокнот
R5	Подстроечный резистор	2.2 кОм	1			В блокнот
PA1	Микроамперметр	М1690А	1			В блокнот
S1	Включатель		1			В блокнот
VD1-VD4	Диод	КД243Ж	4			В блокнот
R1	Резистор	12 кОм	1	2 Ватт

И хоть мы уже давно привыкли к цифровым вольтметрам, в природе всё ещё встречаются и стрелочные.

В некоторых случаях их применение может быть более удобным и практичным, чем использование современных цифровых.

Если в ваши руки попал стрелочный вольтметр, то желательно узнать его основные характеристики. Их легко определить по шкале и надписях на ней. В мои руки попал встраиваемый вольтметр М42300 .

Внизу, под шкалой, как правило, есть несколько значков и указана модель прибора. Так, значок в виде подковы (или изогнутого магнита) означает, что это прибор магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой.

На следующем снимке можно разглядеть такую подковку.

Горизонтальная чёрточка указывает на то, что данный измерительный прибор рассчитан на работу с постоянным током (напряжением).

Тут же стоит уточнить, почему речь идёт о постоянном токе. Не секрет, что стрелочными бывают не только вольтметры, но и огромное количество других измерительных приборов, например, тот же аналоговый амперметр или омметр.

Действие любого стрелочного прибора основано на отклонении катушки в поле магнита при прохождении постоянного тока по этой самой катушке. Чтобы отобразить с помощью стрелки показания на шкале прибора, ток должен быть постоянным.

Если он будет переменным, то стрелка будет отклоняться вправо-влево с частотой переменного тока, который протекает через обмотку катушки. Чтобы измерить величину переменного тока или напряжения в измерительный прибор встраивают выпрямитель.

Именно поэтому, под шкалой прибора указывается тип тока, с которым он способен работать: постоянным или переменным.

Далее на шкале прибора можно обнаружить целое или дробное число, вроде 1,5 ; 1,0 и подобное. Это класс точности прибора, выраженный в процентах %. Понятно, чем меньше число, тем лучше - показания будут точнее.

Также можно увидеть такой знак - две пересекающиеся черты под прямым углом. Этот знак указывает на то, что рабочее положение прибора вертикальное.

При горизонтальном положении показания могут быть менее точные. Иными словами прибор может "врать". Стрелочный вольтметр с таким значком лучше устанавливать в прибор вертикально и исключить существенный наклон.

А вот такой знак говорит о том, что рабочее положение прибора - горизонтальное.

Ещё один интересный знак - пятиконечная звезда с цифрой внутри.

Данный знак предупреждает о том, что между корпусом прибора и его магнитоэлектрической системой напряжение не должно превышать 2кВ (2000 вольт). На это стоит обращать внимание при эксплуатации вольтметра в высоковольтных установках. Если вы планируете использовать его в блоке питания на 12 - 50 вольт, то беспокоиться не стоит.

Как считывать показания со шкалы стрелочного вольтметра?

Для тех, кто впервые видит шкалу прибора, возникает вполне резонный вопрос: "А как же считывать показания?" На первый взгляд ничего непонятно .

На самом деле всё просто. Чтобы определить минимальное деление шкалы нужно определить ближайшее число (цифру) на шкале. Как видим на шкале нашего М42300 - это 2.

Далее считаем количество промежутков между чёрточками до первого числа или цифры - в нашем случае до 2. Их оказывается 10. Далее делим 2 на 10, получаем 0,2. То есть, расстояние от одной маленькой чёрточки до соседней, равно - 0,2 вольта.

Вот мы и нашли минимальное деление шкалы. Таким образом, если стрелка прибора отклонится на 2 маленьких деления, то это будет означать, что напряжение равно 0,4V (2 * 0,2V = 0,4V ).

Практический пример.

В наличии уже знакомый нам встраиваемый вольтметр модели М42300. Прибор предназначен для измерения постоянного напряжения до 10 вольт. Шаг измерения - 0,2 вольта.

Прикручиваем к клеммам вольтметра два провода (соблюдаем полярность! ), и подключаем севшую батарейку на 1,5 вольта или любую попавшуюся.

Вот такие показания я увидел на шкале прибора. Как видим, напряжение батарейки равно 1 вольту (5 делений * 0,2V = 1V ). Пока фотографировал, стрелка вольтметра упорно двигалась к началу шкалы - батарейка отдавала последние "соки".

Оказалось, ток, потребляемый стрелочным вольтметром, составил всего 1 миллиампер (1 мА ). Его достаточно, чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу. Это очень мало. Поясню свой намёк.

Получается, что стрелочный вольтметр экономичнее цифрового. Посудите сами, любой цифровой измерительный прибор имеет дисплей (ЖК или светодиодный), контроллер, а также буферные элементы для управления дисплеем. И это только часть его схемы. Всё это потребляет ток, садит батарею или аккумулятор. И если в случае вольтметра с жидкокристаллическим дисплеем потребляемый ток невелик, то при наличии активного светодиодного индикатора, потребляемый ток будет уже существенный.

Вот и получается, что для портативных приборов с автономным питанием иногда разумнее использовать классический стрелочный вольтметр.

При подключении вольтметра к цепи следует помнить о нескольких простых правилах.

Во-первых, вольтметр (любой, хоть цифровой, хоть стрелочный) необходимо подключать параллельно той цепи или элементу, напряжение на котором планируется измерять или контролировать.

Во-вторых, следует учитывать рабочий диапазон измерений. Узнать его легко - достаточно взглянуть на шкалу и определить последнее число на шкале. Это и будет граничное напряжение для измерения данным вольтметром. Естественно, есть и универсальные вольтметры, с выбором предела измерения, но сейчас речь идёт о встраиваемом стрелочном вольтметре с одним пределом измерения.

Если подключить вольтметр, например, со шкалой измерения до 100 вольт, в цепь, где напряжение превышает эти 100 вольт, то стрелка прибора будет уходить за пределы шкалы, "зашкаливать". Такое положение дел рано или поздно приведёт к порче магнитоэлектрической системы.

В-третьих, при подключении стоит соблюдать полярность, если вольтметр рассчитан на измерение постоянного напряжения. Как правило, на клеммах (или хотя бы у одной) указывается полярность - плюс "+" или минус "-" . При подключении вольтметров, рассчитанных на измерение переменного напряжения, полярность подключения не имеет значения.

Надеюсь, теперь вам будет проще определить основные характеристики стрелочного вольтметра, а самое главное, применить его в своих самоделках, например, встроив его в блок питания с регулируемым выходным напряжением . А если сделать светодиодную подсветку его шкалы, то он будет выглядеть вообще шикарно! Согласитесь, такой стрелочный вольтметр будет смотреться стильно и эффектно.

ХР1 R1 Ш R2* 51X

Как «растянуть» шка у вольтметра. Контролируя какое-то напряжение. иногда бывает нужно либо следить за его колебаниями, либо более точно измерить. Скажем, при эксплуатации автомобильной аккумуляторной батареи важно следить *а изменением ее напряжения в диапазоне 12.. Л 5 В. Именно этот диапазон желательно было бы разместить на всей шкале стрелочного индикатора вольтметра. Но. как вы знаете, отсчет на любом из диапазонов практиче- ски всех измерительных приборов идет от нулевого значения и добиться более высокой точности отсчета на интересующем участке невозможно.

И тем не менее существует способ «растяжки» практически любого участка шкалы (начало, середина, конец) вольтметра постоянного тока. Для этого нужно воспользоваться СВОЙСТВОМ стабилитрона открываться при определенном напряжении, равном напряжению стабилизации. К примеру, для растяжки конца шкалы диапазона 0...15 В достаточно использовать стабилитрон в такой же роли, что и в предыдущем эксперименте.

Взгляните на рис. 4. Стабилитрон VD1 включен последовательно с однопредельным вольтметром, составленным из стрелочного индикатора РА1 и до- бивочиого резистора R2. Как и в предыдущем эксперименте, стабилитрон «съедает» часть измеряемого напряжения, равного напряжению стабилизации В результате на вольтметр будет поступать напряжение, превышающее напряжение стабилизации.

ИРАДИСГ-НАЧИНАЮЩИМ«_

Это напряжение и станет своеобразным нулем отсчета, а зна чит, на шкале «растянется» лишь разници между наибольшим измеряемым напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона.

Показанное на рисунке устройство рассчитано на контроль напряжении аккумуляторной батареи в диапазоне от 10 до 15 В. но этот диапазон можно изменить по желанию соответствующим подбором стабилитрона и резистора R2.

Каково назначение резистора R1? В принципе, он не обязате лен. Но без него, пока стабилитрон закрыт, стрелка имди катора остается на пулевой отметке. Введение же резистора позволяет наблюдать напряжение до 10 В на начальном участке шкалы, но этот участок будет сильно «сжат».

Собрав показанные на схеме детали и соединии их со стрелочным индикатором РА1 (микро амперметр М2003 с гоком полною отклонения стрелки 100 мкА и внутренним сопротивлением 450 Ом), подключают щупы ХР1 и ХР2 к блоку питания с регулируемым выходным напряжением. Плавно увеличивая напряжение до 9...9,5 В, заметите небольшое отклонение стрелки индикатора - всего на несколько делений в начале шкалы. Как только при дальнейшем увеличении напряжения оно превысит напряжение стабилизации, угол отклонения стрелки будет резко возрастать Примерно с напряжения 10,5 до 15 В стрелка пройдет почти всю шкалу.

Чтобы убедиться в роли резистора R1, отключите его н повторите эксперимент. До определенною входною напряжения стрелка индикатора останется на нулевой отметке.

Возможно, вас заинтересует подобный способ «растягивания» шкалы и вы захотите практически воплотить его для контроля других напряжений. Тогда придется воспользоваться простейшими расчетами. Исходными данными для них будут диапазон измерения напряжений (l)m>x), ток полного отклонения стрелки индикатора (11Пах), ток начальной точки отсчета (1шт) и соответствующее ему напряжение начала отсчета (UIIljn).

Для примера «расчитаем* наше устройство, показанное на схеме. Допустим, чго вся ткала прибора CImex= 100 мкА) предназначается для контроля напряжений от 10 до 15 В, но начало отсчета пойдет от деления, соответствующею току ЮмкА (1Ш)П=10 мкА), а значит, напряжению 10,5 В (Urnin= = 10,5 В).

Сначала определяем коэффициенты р и к, которые понадобятся для последующих операций:

P=lmi„/ln,«= 10/100=0,1; k=Um,„/Un,„>=)0.S/15=0,7.

Подсчитывает нужное напряжение стабилизации будущего стабилитрона:

UrT=Uninx(k-p)/(l-p) =

15*0,6/0,9=10 В.

Таким напряжением обладают стабилитроны Д810 и Д814В (см. справочную таблицу в статье «Стабилитрон»).

Определяем сопротивление резистора R2 в килоомах, выражая ток в миллиамперах. R2=U,nax(l-K)/lmils(l-p) =

15.0,3/0,1-0,9=50 кОм.

Вообще, из полученного значения следовало бы вычесть внутреннее сопротивление стрелочною индикатора (450 Ом), но делать это не обязательно сопротивление резистора R2 ведь подбирается практически при налаживании вольтметра.

В заключение определяют сопротивление резистора R1: Rl = Uer/p.lmax=10/0,1 = = 1000 кОм=1 МОм.

В. МАСЛАЕВ

г. Зеленоград