Voltmeter Potensiometri

BAGIAN DAN BAHAN

• Dua baterai 6 volt
• Satu potensiometer, satu putaran, 10 kΩ, lancip linier (katalog Radio Shack # 271-1715)
• Dua resistor bernilai tinggi (masing-masing minimal 1 MΩ)
• Detektor tegangan sensitif (dari eksperimen sebelumnya)
• Voltmeter analog (dari percobaan sebelumnya)

Nilai potensiometer tidak kritis:apa pun dari 1 kΩ hingga 100 kΩ dapat diterima.

Jika Anda telah membuat "potensiometer presisi" yang dijelaskan sebelumnya dalam bab ini, Anda disarankan untuk menggunakannya dalam percobaan ini.

Demikian juga, nilai sebenarnya dari resistor tidak kritis. Dalam percobaan khusus ini, semakin besar nilainya, semakin baik hasilnya. Nilainya juga tidak harus sama persis.

Jika Anda belum membuat detektor tegangan sensitif, sebaiknya Anda membuatnya sebelum melanjutkan eksperimen ini!

Ini adalah alat uji yang sangat berguna, namun sederhana, yang tidak boleh Anda lewatkan. Anda dapat menggunakan multimeter digital yang disetel ke kisaran “DC millivolt” (DC mV) sebagai pengganti detektor tegangan, tetapi detektor tegangan berbasis headphone lebih sesuai karena menunjukkan bagaimana Anda dapat melakukan pengukuran tegangan yang tepat tanpa menggunakan peralatan meteran yang mahal atau canggih. Saya sarankan menggunakan multimeter buatan Anda untuk alasan yang sama, meskipun voltmeter apa pun sudah cukup untuk eksperimen ini.

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 1, bab 8:“Sirkuit Pengukuran DC”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Untuk mendeskripsikan pembebanan voltmeter:penyebab dan solusinya
• Untuk mengilustrasikan cara menggunakan potensiometer sebagai sumber tegangan variabel
• Untuk mengilustrasikan metode pengukuran tegangan potensiometri

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Bangun sirkuit pembagi tegangan dua resistor yang ditunjukkan di sebelah kiri diagram skematik dan ilustrasi.

Jika dua resistor bernilai tinggi memiliki nilai yang sama, tegangan baterai harus dibagi dua, dengan sekitar 3 volt dijatuhkan di setiap resistor.

Ukur tegangan baterai secara langsung dengan voltmeter, lalu ukur penurunan tegangan setiap resistor.

Apakah Anda melihat sesuatu yang tidak biasa tentang pembacaan voltmeter? Biasanya, penurunan tegangan seri sama dengan total tegangan yang diterapkan, tetapi dalam kasus ini, Anda akan melihat perbedaan yang serius.

Apakah Hukum Tegangan Kirchhoff tidak benar? Apakah ini pengecualian untuk salah satu hukum paling mendasar dari sirkuit listrik?

Tidak! Apa yang terjadi adalah ini:ketika Anda menghubungkan voltmeter melintasi salah satu resistor, voltmeter itu sendiri berubah rangkaian sehingga tegangannya tidak sama dengan tidak ada meteran yang terhubung.

Saya suka menggunakan analogi pengukur tekanan udara yang digunakan untuk memeriksa tekanan ban pneumatik.

Saat pengukur terhubung ke katup pengisian ban, alat ini akan mengeluarkan udara dari ban.

Hal ini mempengaruhi tekanan di dalam ban, sehingga pengukur membaca tekanan yang sedikit lebih rendah daripada tekanan di dalam ban sebelum pengukur dihubungkan.

Dengan kata lain, tindakan mengukur tekanan ban mengubah tekanan ban. Namun, mudah-mudahan, hanya ada sedikit udara yang dikeluarkan dari ban selama tindakan pengukuran sehingga pengurangan tekanan dapat diabaikan.

Pengukur voltase juga memengaruhi voltase yang diukur, dengan melewatkan beberapa arus di sekitar komponen yang penurunan voltasenya diukur.

Ini memengaruhi penurunan tegangan, tetapi efeknya sangat kecil sehingga Anda biasanya tidak menyadarinya.

Namun, di sirkuit ini, efeknya sangat terasa. Kenapa ini? Coba ganti dua resistor bernilai tinggi dengan masing-masing dua resistor bernilai 100 kΩ dan ulangi eksperimen.

Ganti resistor tersebut dengan dua unit 10 KΩ dan ulangi. Apa yang Anda perhatikan tentang pembacaan tegangan dengan resistor bernilai lebih rendah?

Apa yang dijelaskan di sini tentang "dampak" voltmeter pada sirkuit dalam kaitannya dengan resistansi sirkuit itu?

Ganti resistor bernilai rendah apa pun dengan resistor asli bernilai tinggi (>=1 MΩ) sebelum melanjutkan.

Coba ukur tegangan pada dua resistor bernilai tinggi—satu per satu—dengan voltmeter digital, bukan voltmeter analog.

Apa yang Anda perhatikan tentang pembacaan meter digital versus meteran analog?

Voltmeter digital biasanya memiliki resistansi internal (probe-to-probe) yang lebih besar, yang berarti voltmeter tersebut menarik lebih sedikit arus daripada voltmeter analog yang sebanding saat mengukur sumber tegangan yang sama.

Voltmeter yang ideal akan menarik arus nol dari rangkaian yang diuji, dan dengan demikian tidak mengalami masalah "dampak" tegangan.

Jika Anda kebetulan memiliki dua voltmeter, coba ini:sambungkan satu voltmeter melintasi satu resistor, dan voltmeter lainnya melintasi resistor lainnya.

Pembacaan voltase yang Anda dapatkan akan menambahkan voltase total kali ini, berapa pun nilai resistornya, meskipun berbeda dengan pembacaan yang diperoleh dari satu meter yang digunakan dua kali.

Sayangnya, tidak mungkin pembacaan tegangan yang diperoleh dengan cara ini sama dengan penurunan tegangan sebenarnya tanpa meteran yang terhubung, sehingga ini bukan solusi praktis untuk masalah tersebut.

Apakah ada cara untuk membuat voltmeter yang "sempurna":voltmeter yang memiliki hambatan tak terbatas dan tidak menarik arus dari rangkaian yang diuji?

Voltmeter laboratorium modern mendekati tujuan ini dengan menggunakan sirkuit "penguat" semikonduktor, tetapi metode ini terlalu canggih secara teknologi untuk ditiru oleh siswa atau penghobi.

Teknik yang jauh lebih sederhana dan jauh lebih tua disebut potensiometrik atau null-balance metode.

Ini melibatkan penggunaan sumber tegangan yang dapat disesuaikan untuk "menyeimbangkan" tegangan yang diukur.

Ketika kedua tegangan sama, seperti yang ditunjukkan oleh detektor nol yang sangat sensitif , sumber tegangan yang dapat disesuaikan diukur dengan voltmeter biasa.

Karena kedua sumber tegangan sama satu sama lain, mengukur sumber yang dapat disetel sama dengan mengukur di seluruh rangkaian uji, kecuali bahwa tidak ada kesalahan "dampak" karena sumber yang dapat disetel menyediakan arus apa pun yang dibutuhkan oleh voltmeter. Akibatnya, sirkuit yang diuji tetap tidak terpengaruh, memungkinkan pengukuran penurunan tegangan yang sebenarnya.

Periksa skema berikut untuk melihat bagaimana metode voltmeter potensiometri diimplementasikan:

Simbol lingkaran dengan kata “null” tertulis di dalamnya mewakili detektor nol.

Ini bisa berupa pergerakan meteran yang sensitif atau indikator voltase.

Satu-satunya tujuan di sirkuit ini adalah untuk menunjukkan bila ada nol tegangan:ketika sumber tegangan yang dapat diatur (potensiometer) sama persis dengan penurunan tegangan pada rangkaian yang diuji.

Semakin sensitif detektor nol ini, semakin tepat sumber yang dapat disetel dapat disesuaikan agar sama dengan tegangan yang diuji, dan semakin tepat tegangan uji yang dapat diukur.

Bangun sirkuit ini seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi dan uji operasinya dengan mengukur penurunan tegangan pada salah satu resistor bernilai tinggi di sirkuit uji.

Mungkin lebih mudah menggunakan multimeter biasa sebagai detektor nol pada awalnya, sampai Anda terbiasa dengan proses penyesuaian potensiometer untuk indikasi "nol", kemudian membaca voltmeter yang terhubung di seluruh potensiometer.

Jika Anda menggunakan detektor tegangan berbasis headphone sebagai pengukur nol, Anda harus sesekali membuat dan memutuskan kontak dengan sirkuit yang sedang diuji dan mendengarkan suara “klik”.

Lakukan ini dengan mengencangkan salah satu probe uji ke sirkuit uji dan sebentar menyentuhkan probe uji lainnya ke titik lain di sirkuit uji berulang kali, mendengarkan suara di headphone yang menunjukkan perbedaan tegangan antara rangkaian uji dan potensiometer.

Sesuaikan potensiometer hingga tidak ada suara klik yang terdengar dari headphone. Ini menunjukkan kondisi "null" atau "seimbang", dan Anda dapat membaca indikasi voltmeter untuk melihat berapa banyak tegangan yang dijatuhkan pada resistor rangkaian uji.

Sayangnya, detektor nol berbasis headphone tidak memberikan indikasi apakah tegangan potensiometer lebih besar dari , atau kurang dari tegangan rangkaian uji, jadi Anda harus mendengarkan penurunan intensitas “klik” saat memutar potensiometer untuk menentukan apakah Anda perlu menyesuaikan tegangan lebih tinggi atau lebih rendah.

Anda mungkin menemukan bahwa potensiometer satu putaran ("3/4 putaran") terlalu kasar untuk perangkat penyesuaian untuk secara akurat "meniadakan" sirkuit pengukuran.

Sebuah potensiometer multi-putaran dapat digunakan sebagai pengganti unit satu putaran untuk presisi penyesuaian yang lebih besar, atau sirkuit "potensiometer presisi" yang dijelaskan dalam percobaan sebelumnya dapat digunakan.

Sebelum munculnya teknologi voltmeter yang diperkuat, metode potensiometri adalah satu-satunya metode untuk membuat pengukuran tegangan yang sangat akurat.

Bahkan sekarang, laboratorium standar kelistrikan menggunakan teknik ini bersama dengan teknologi meteran terbaru untuk meminimalkan kesalahan “dampak” meteran dan memaksimalkan akurasi pengukuran.

Meskipun metode potensiometri membutuhkan lebih banyak keterampilan untuk digunakan daripada sekadar menghubungkan voltmeter digital modern di seluruh komponen, dan dianggap usang untuk semua kecuali aplikasi pengukuran yang paling tepat, ini masih merupakan proses pembelajaran yang berharga bagi siswa baru elektronika, dan metode yang berguna teknik untuk penghobi yang mungkin kekurangan peralatan mahal di laboratorium rumah mereka.

SIMULASI KOMPUTER

Skematis dengan nomor node SPICE:

Netlist (buat file teks yang berisi teks berikut, kata demi kata):

Voltmeter potensiometri v1 1 0 dc 6 v2 3 0 r1 1 2 1meg r2 2 0 1meg rnull 2 ​​3 10k rmeter 3 0 50k .dc v2 0 6 0.5 .print dc v(2,0) v(2,3) v(3,0) .end 

Simulasi SPICE ini menunjukkan tegangan aktual pada R₂ rangkaian uji, tegangan detektor nol, dan tegangan pada sumber tegangan yang dapat disesuaikan, karena sumber tersebut disetel dari 0 volt hingga 6 volt dalam langkah 0,5 volt.

Pada keluaran simulasi ini, Anda akan melihat bahwa tegangan pada R₂ adalah terpengaruh secara signifikan ketika sirkuit pengukuran tidak seimbang, kembali ke tegangan sebenarnya hanya ketika praktis ada tegangan nol di detektor nol.

Pada titik itu, tentu saja, sumber tegangan yang dapat disetel berada pada nilai 3.000 volt:persis sama dengan penurunan tegangan rangkaian uji (tidak terpengaruh).

Pelajaran apa yang bisa dipetik dari simulasi ini? Agar voltmeter potensiometri tidak berdampak pada sirkuit uji hanya saat berada dalam kondisi keseimbangan sempurna (“null”) dengan rangkaian uji!

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Metrologi DC