Desain Voltmeter

Seperti yang dinyatakan sebelumnya, sebagian besar gerakan meteran adalah perangkat sensitif. Beberapa gerakan D'Arsonval memiliki peringkat arus defleksi skala penuh sesedikit 50 A, dengan resistansi kawat (internal) kurang dari 1000 . Ini menghasilkan voltmeter dengan peringkat skala penuh hanya 50 milivolt (50 A X 1000 )! Untuk membuat voltmeter dengan skala praktis (tegangan lebih tinggi) dari gerakan sensitif seperti itu, kita perlu menemukan beberapa cara untuk mengurangi kuantitas tegangan yang terukur hingga ke tingkat yang dapat ditangani oleh gerakan tersebut.

Pengukur Gerakan D'Arsonval

Mari kita mulai contoh masalah kita dengan gerakan meteran D'Arsonval yang memiliki peringkat defleksi skala penuh 1 mA dan resistansi kumparan 500 :

Dengan menggunakan Hukum Ohm (E=IR), kita dapat menentukan seberapa besar tegangan yang akan mendorong gerakan meteran ini secara langsung ke skala penuh:

E =I R E =(1 mA)(500 ) E =0,5 volt

Jika yang kami inginkan hanyalah sebuah meteran yang dapat mengukur 1/2 volt, gerakan meteran telanjang yang kami miliki di sini sudah cukup. Tetapi untuk mengukur tingkat tegangan yang lebih besar, diperlukan sesuatu yang lebih. Untuk mendapatkan rentang voltmeter meter yang efektif lebih dari 1/2 volt, kita perlu merancang sirkuit yang memungkinkan hanya proporsi yang tepat dari voltase terukur yang turun melintasi pergerakan meteran.

Ini akan memperluas jangkauan gerakan meteran ke tegangan yang lebih tinggi. Sejalan dengan itu, kita perlu memberi label ulang skala pada permukaan meteran untuk menunjukkan rentang pengukuran barunya dengan sirkuit proporsional ini terhubung.

Tapi bagaimana kita membuat sirkuit proporsional yang diperlukan? Nah, jika niat kita adalah membiarkan gerakan meteran ini mengukur tegangan yang lebih besar daripada sekarang, yang kita butuhkan adalah pembagi tegangan sirkuit untuk membagi total tegangan terukur menjadi fraksi yang lebih kecil di seluruh titik koneksi gerakan meteran. Mengetahui bahwa rangkaian pembagi tegangan dibuat dari seri resistensi, kami akan menghubungkan resistor secara seri dengan gerakan meteran (menggunakan resistansi internal gerakan itu sendiri sebagai resistensi kedua di pembagi):

Resistor Pengganda

Resistor seri disebut resistor “pengganda” karena menggandakan rentang kerja gerakan meter karena secara proporsional membagi tegangan terukur di atasnya. Menentukan nilai resistansi pengali yang diperlukan adalah tugas yang mudah jika Anda terbiasa dengan analisis rangkaian seri.

Sebagai contoh, mari kita tentukan nilai pengali yang diperlukan untuk membuat gerakan 1 mA, 500 ini terbaca skala penuh dengan tepat pada tegangan 10 volt. Untuk melakukan ini, pertama-tama kita perlu menyiapkan tabel E/I/R untuk dua komponen seri:

Mengetahui bahwa pergerakan akan berada pada skala penuh dengan arus 1 mA yang melewatinya, dan bahwa kita ingin ini terjadi pada tegangan yang diterapkan (rangkaian seri total) 10 volt, kita dapat mengisi tabel sebagai berikut:

Ada beberapa cara untuk menentukan nilai resistansi dari pengali. Salah satu caranya adalah dengan menentukan resistansi rangkaian total menggunakan Hukum Ohm pada kolom “total” (R=E/I), kemudian kurangi 500 gerakan untuk mendapatkan nilai pengali:

Cara lain untuk mengetahui nilai resistansi yang sama adalah dengan menentukan penurunan tegangan pada gerakan pada defleksi skala penuh (E=IR), kemudian kurangi penurunan tegangan tersebut dari total untuk sampai pada tegangan melintasi resistor pengali. Akhirnya, Hukum Ohm dapat digunakan lagi untuk menentukan hambatan (R=E/I) untuk pengali:

Cara mana pun memberikan jawaban yang sama (9,5 kΩ), dan satu metode dapat digunakan sebagai verifikasi untuk metode lainnya, untuk memeriksa keakuratan pekerjaan.

Dengan tepat 10 volt diterapkan di antara kabel uji meteran (dari beberapa baterai atau catu daya presisi), akan ada tepat 1 mA arus melalui gerakan meteran, sebagaimana dibatasi oleh resistor "pengganda" dan resistansi internal mesin itu sendiri. Tepat 1/2 volt akan dijatuhkan melintasi resistansi kumparan kawat mesin jam, dan jarum akan menunjuk tepat pada skala penuh. Setelah memberi label ulang skala untuk membaca dari 0 hingga 10 V (bukan 0 hingga 1 mA), siapa pun yang melihat skala akan menafsirkan indikasinya sebagai sepuluh volt.

Harap perhatikan bahwa pengguna meteran tidak harus menyadari sama sekali bahwa gerakan itu sendiri sebenarnya hanya mengukur sebagian kecil dari sepuluh volt itu dari sumber eksternal. Yang penting bagi pengguna adalah bahwa rangkaian secara keseluruhan berfungsi untuk secara akurat menampilkan tegangan total yang diterapkan.

Beginilah cara praktis meter listrik dirancang dan digunakan:gerakan meter sensitif dibangun untuk beroperasi dengan tegangan dan arus sesedikit mungkin untuk sensitivitas maksimum, kemudian "dibodohi" oleh semacam rangkaian pembagi yang dibangun dari resistor presisi sehingga menunjukkan skala penuh ketika tegangan atau arus yang jauh lebih besar diberikan pada rangkaian secara keseluruhan. Kami telah memeriksa desain voltmeter sederhana di sini. Ammeter mengikuti aturan umum yang sama, kecuali resistor "shunt" yang terhubung paralel digunakan untuk membuat pembagi arus sirkuit sebagai lawan dari pembagi tegangan yang terhubung seri resistor “pengganda” yang digunakan untuk desain voltmeter.

Umumnya, berguna untuk memiliki beberapa rentang yang ditetapkan untuk meteran elektromekanis seperti ini, yang memungkinkannya untuk membaca rentang tegangan yang luas dengan mekanisme gerakan tunggal. Ini dicapai melalui penggunaan sakelar multi-kutub dan beberapa resistor pengali, masing-masing berukuran untuk rentang tegangan tertentu:

Sakelar lima posisi membuat kontak hanya dengan satu resistor pada satu waktu. Di posisi bawah (searah jarum jam penuh), itu membuat kontak tanpa resistor sama sekali, memberikan pengaturan "mati". Setiap resistor berukuran untuk memberikan rentang skala penuh tertentu untuk voltmeter, semua berdasarkan peringkat tertentu dari gerakan meteran (1 mA, 500 ). Hasil akhirnya adalah voltmeter dengan empat rentang pengukuran skala penuh yang berbeda. Tentu saja, untuk membuat pekerjaan ini masuk akal, skala gerakan meteran harus dilengkapi dengan label yang sesuai untuk setiap rentang.

Dengan desain meteran seperti itu, setiap nilai resistor ditentukan dengan teknik yang sama, menggunakan tegangan total yang diketahui, peringkat defleksi skala penuh gerakan, dan resistansi gerakan. Untuk voltmeter dengan rentang 1 volt, 10 volt, 100 volt, dan 1000 volt, hambatan pengalinya adalah sebagai berikut:

Perhatikan nilai resistor pengali yang digunakan untuk rentang ini, dan betapa anehnya mereka. Sangat tidak mungkin bahwa resistor presisi 999,5 kΩ akan pernah ditemukan di nampan suku cadang, jadi perancang voltmeter sering memilih variasi dari desain di atas yang menggunakan nilai resistor yang lebih umum:

Dengan setiap rentang tegangan yang lebih tinggi berturut-turut, lebih banyak resistor pengali ditekan ke dalam layanan oleh sakelar pemilih, membuat resistansi seri mereka menambah total yang diperlukan. Misalnya, dengan sakelar pemilih rentang diatur ke posisi 1000 volt, kita membutuhkan nilai resistansi pengali total 999,5 kΩ. Dengan desain meteran ini, itulah yang akan kita dapatkan:

R_Total =R4 + R3 + R2 + R1 R_Total =900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 R_Total =999,5 kΩ

Keuntungannya, tentu saja, adalah bahwa nilai resistor pengali individu lebih umum (900k, 90k, 9k) daripada beberapa nilai ganjil dalam desain pertama (999,5k, 99,5k, 9.5k). Namun, dari sudut pandang pengguna meteran, tidak akan ada perbedaan fungsi yang terlihat.

TINJAUAN:

• Jangkauan voltmeter yang diperluas dibuat untuk pergerakan meter yang sensitif dengan menambahkan resistor "pengganda" seri ke sirkuit pergerakan, memberikan rasio pembagian tegangan yang tepat.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Desain Voltmeter
• Lembar Kerja Voltmeter