Dampak Voltmeter pada Sirkuit Terukur

Setiap meter berdampak pada sirkuit yang diukurnya sampai batas tertentu, seperti halnya pengukur tekanan ban mengubah tekanan ban yang diukur sedikit karena beberapa udara dikeluarkan untuk mengoperasikan pengukur. Meskipun beberapa dampak tidak dapat dihindari, namun dapat diminimalkan melalui desain meteran yang baik.

Sirkuit Pembagi Tegangan

Karena voltmeter selalu terhubung secara paralel dengan komponen atau komponen yang diuji, arus apa pun yang melalui voltmeter akan berkontribusi pada arus keseluruhan dalam rangkaian yang diuji, yang berpotensi mempengaruhi tegangan yang diukur. Voltmeter yang sempurna memiliki hambatan yang tidak terbatas, sehingga voltmeter tersebut tidak menarik arus dari rangkaian yang diuji. Namun, voltmeter yang sempurna hanya ada di halaman buku teks, tidak di kehidupan nyata! Ambil rangkaian pembagi tegangan berikut sebagai contoh ekstrem tentang bagaimana voltmeter realistis dapat memengaruhi rangkaian pengukurannya:

Tanpa voltmeter yang terhubung ke rangkaian, harus ada tepat 12 volt melintasi setiap resistor 250 MΩ dalam rangkaian seri, dua resistor bernilai sama membagi tegangan total (24 volt) tepat menjadi dua. Namun, jika voltmeter yang dimaksud memiliki resistansi kabel-ke-kabel sebesar 10 MΩ (jumlah yang umum untuk voltmeter digital modern), resistansinya akan membuat subsirkuit paralel dengan resistor bawah pembagi saat dihubungkan:

Ini secara efektif mengurangi resistansi yang lebih rendah dari 250 MΩ menjadi 9,615 MΩ (250 MΩ dan 10 MΩ secara paralel), secara drastis mengubah penurunan tegangan di sirkuit. Resistor yang lebih rendah sekarang akan memiliki tegangan yang jauh lebih sedikit daripada sebelumnya, dan resistor atas jauh lebih banyak.

Pembagi Tegangan Terukur

Sebuah pembagi tegangan dengan nilai hambatan 250 MΩ dan 9,615 MΩ akan membagi 24 volt menjadi bagian masing-masing 23,1111 volt dan 0,8889 volt. Karena voltmeter adalah bagian dari resistansi 9,615 MΩ, itulah yang akan ditunjukkan:0,8889 volt.

Sekarang, voltmeter hanya dapat menunjukkan tegangan yang terhubung. Tidak ada cara untuk "mengetahui" ada potensi 12 volt yang dijatuhkan pada resistor 250 MΩ yang lebih rendah sebelum itu terhubung di atasnya. Tindakan menghubungkan voltmeter ke sirkuit membuatnya menjadi bagian dari sirkuit, dan resistansi voltmeter itu sendiri mengubah rasio resistansi sirkuit pembagi tegangan, akibatnya memengaruhi tegangan yang diukur.

Bagaimana Cara Kerja Pengukur Tegangan Volt?

Bayangkan menggunakan pengukur tekanan ban yang membutuhkan begitu banyak volume udara untuk beroperasi sehingga akan mengempiskan ban apa pun yang terhubung dengannya. Jumlah udara yang dikonsumsi oleh pengukur tekanan dalam tindakan pengukuran analog dengan arus yang diambil oleh gerakan voltmeter untuk menggerakkan jarum. Semakin sedikit udara yang dibutuhkan pengukur tekanan untuk beroperasi, semakin sedikit itu akan mengempiskan ban yang sedang diuji. Semakin sedikit arus yang ditarik oleh voltmeter untuk menggerakkan jarum, semakin sedikit beban yang diberikan pada rangkaian yang diuji.

Efek ini disebut memuat , dan itu hadir sampai tingkat tertentu dalam setiap contoh penggunaan voltmeter. Skenario yang ditunjukkan di sini adalah kasus terburuk, dengan resistansi voltmeter jauh lebih rendah daripada resistansi resistor pembagi. Tetapi akan selalu ada beberapa tingkat pembebanan, menyebabkan meteran menunjukkan kurang dari tegangan sebenarnya tanpa meteran terhubung. Jelas, semakin tinggi resistansi voltmeter, semakin sedikit beban rangkaian yang diuji, dan itulah sebabnya voltmeter ideal memiliki resistansi internal tak terbatas.

Voltmeter dengan gerakan elektromekanis biasanya diberi peringkat dalam kisaran "ohm per volt" untuk menunjukkan jumlah dampak rangkaian yang dibuat oleh penarikan arus gerakan. Karena pengukur semacam itu bergantung pada nilai resistor pengali yang berbeda untuk memberikan rentang pengukuran yang berbeda, resistansi timbal-ke-leadnya akan berubah tergantung pada rentang yang ditetapkan. Voltmeter digital, di sisi lain, sering menunjukkan resistansi konstan di seluruh kabel uji mereka terlepas dari pengaturan rentang (tetapi tidak selalu!), Dan karena itu biasanya dinilai hanya dalam ohm resistansi input, daripada sensitivitas "ohm per volt".

Yang dimaksud dengan “ohm per volt” adalah berapa ohm resistansi lead-to-lead untuk setiap volt pengaturan rentang pada sakelar pemilih. Mari kita ambil contoh voltmeter dari bagian terakhir sebagai contoh:

Pada skala 1000 volt, resistansi totalnya adalah 1 MΩ (999,5 kΩ + 500Ω), memberikan 1.000.000 per jangkauan 1000 volt, atau 1000 ohm per volt (1 kΩ/V). Peringkat "sensitivitas" ohm-per-volt ini tetap konstan untuk setiap rentang meteran ini:

Pengamat yang cerdik akan memperhatikan bahwa nilai ohm per volt dari setiap meter ditentukan oleh satu faktor:arus skala penuh dari gerakan, dalam hal ini 1 mA. “Ohm per volt” adalah kebalikan matematis dari “volt per ohm”, yang didefinisikan oleh Hukum Ohm sebagai arus (I=E/R). Akibatnya, arus . skala penuh gerakan menentukan sensitivitas /volt meter, terlepas dari rentang apa yang dilengkapi oleh perancang melalui resistor pengali. Dalam hal ini, peringkat arus skala penuh pergerakan meter sebesar 1 mA memberikan sensitivitas voltmeter 1000 /V terlepas dari bagaimana kita mengaturnya dengan resistor pengali.

Untuk meminimalkan pembebanan voltmeter pada rangkaian apa pun, perancang harus berusaha meminimalkan penarikan arus dari pergerakannya. Hal ini dapat dicapai dengan mendesain ulang gerakan itu sendiri untuk sensitivitas maksimum (lebih sedikit arus yang diperlukan untuk defleksi skala penuh), tetapi tradeoff di sini biasanya kasar:gerakan yang lebih sensitif cenderung lebih rapuh.

Pendekatan lain adalah meningkatkan arus yang dikirim ke mesin secara elektronik, sehingga sangat sedikit arus yang perlu ditarik dari rangkaian yang diuji. Sirkuit elektronik khusus ini dikenal sebagai penguat , dan voltmeter yang dibuat adalah voltmeter yang diperkuat .

Cara kerja internal penguat terlalu rumit untuk dibahas pada saat ini, tetapi cukup untuk mengatakan bahwa rangkaian memungkinkan tegangan yang diukur untuk mengontrol berapa banyak arus baterai yang dikirim ke gerakan meteran. Dengan demikian, kebutuhan arus gerakan disuplai oleh baterai internal ke voltmeter dan bukan oleh sirkuit yang diuji. Amplifier masih memuat rangkaian yang sedang diuji sampai tingkat tertentu, tetapi umumnya ratusan atau ribuan kali lebih sedikit daripada gerakan meteran itu sendiri.

Voltmeter Tabung Vakum (VTVM)

Sebelum munculnya semikonduktor yang dikenal sebagai "transistor efek medan", tabung vakum digunakan sebagai perangkat penguat untuk melakukan peningkatan ini. Voltmeter tabung vakum , atau (VTVM) pernah menjadi instrumen yang sangat populer untuk pengujian dan pengukuran elektronik. Ini adalah foto VTVM yang sangat tua, dengan tabung vakum terbuka!

Sekarang, rangkaian penguat transistor solid-state menyelesaikan tugas yang sama dalam desain meteran digital. Meskipun pendekatan ini (menggunakan amplifier untuk meningkatkan arus sinyal yang diukur) bekerja dengan baik, ini sangat memperumit desain meteran, sehingga hampir mustahil bagi siswa elektronik pemula untuk memahami cara kerja internalnya.

Solusi terakhir, dan cerdik, untuk masalah pembebanan voltmeter adalah solusi potensiometri atau null-balance instrumen. Ini tidak memerlukan sirkuit (elektronik) canggih atau perangkat sensitif seperti transistor atau tabung vakum, tetapi membutuhkan keterlibatan dan keterampilan teknisi yang lebih besar. Dalam instrumen potensiometri, sumber tegangan yang dapat disesuaikan secara presisi dibandingkan dengan tegangan yang diukur, dan perangkat sensitif yang disebut detektor nol digunakan untuk menunjukkan saat kedua voltase sama.

Dalam beberapa desain sirkuit, potensiometer presisi digunakan untuk memberikan tegangan yang dapat diatur, oleh karena itu diberi label potensiometri . Ketika tegangan sama, akan ada arus nol yang ditarik dari rangkaian yang diuji, dan dengan demikian tegangan yang diukur tidak akan terpengaruh. Sangat mudah untuk menunjukkan cara kerjanya dengan contoh terakhir kami, rangkaian pembagi tegangan resistansi tinggi:

Detektor Null

"Detektor nol" adalah perangkat sensitif yang mampu menunjukkan adanya tegangan yang sangat kecil. Jika gerakan meter elektromekanis digunakan sebagai detektor nol, ia akan memiliki jarum yang berpusat pada pegas yang dapat dibelokkan ke kedua arah sehingga berguna untuk menunjukkan tegangan dari salah satu polaritas. Karena tujuan dari detektor nol adalah untuk secara akurat menunjukkan kondisi nol tegangan, daripada menunjukkan kuantitas tertentu (bukan nol) seperti voltmeter normal, skala instrumen yang digunakan tidak relevan. Detektor nol biasanya dirancang sesensitif mungkin agar lebih tepat menunjukkan kondisi "null" atau "balance" (tegangan nol).

Jenis detektor nol yang sangat sederhana adalah satu set headphone audio, speaker di dalamnya bertindak sebagai semacam gerakan meteran. Ketika tegangan DC pada awalnya diterapkan ke speaker, arus yang dihasilkan melaluinya akan menggerakkan kerucut speaker dan menghasilkan "klik" yang dapat didengar. Suara “klik” lainnya akan terdengar saat sumber DC diputus. Berdasarkan prinsip ini, detektor nol yang sensitif dapat dibuat tidak lebih dari headphone dan sakelar kontak sesaat:

Jika satu set headphone “8 ohm” digunakan untuk tujuan ini, sensitivitasnya dapat sangat meningkat dengan menghubungkannya ke perangkat yang disebut transformator . Trafo memanfaatkan prinsip elektromagnetisme untuk "mengubah" tegangan dan arus pulsa energi listrik. Dalam hal ini, jenis trafo yang digunakan adalah step-down transformator, dan mengubah pulsa arus rendah (dibuat dengan menutup dan membuka sakelar tombol saat terhubung ke sumber tegangan kecil) menjadi pulsa arus lebih tinggi untuk menggerakkan kerucut speaker di dalam headphone dengan lebih efisien.

Trafo “keluaran audio” dengan rasio impedansi 1000:8 sangat ideal untuk tujuan ini. Trafo juga meningkatkan sensitivitas detektor dengan mengumpulkan energi sinyal arus rendah dalam medan magnet untuk dilepaskan secara tiba-tiba ke speaker headphone saat sakelar dibuka. Dengan demikian, ini akan menghasilkan “klik” yang lebih keras untuk mendeteksi sinyal yang lebih kecil:

Terhubung ke sirkuit potensiometri sebagai detektor nol, pengaturan sakelar/transformator/headphone digunakan sebagai berikut:

Tujuan dari setiap detektor nol adalah untuk bertindak seperti skala keseimbangan laboratorium, yang menunjukkan ketika dua voltase sama (tidak adanya voltase antara titik 1 dan 2) dan tidak lebih. Balok timbangan skala laboratorium sebenarnya tidak menimbang apa pun; sebaliknya, ini hanya menunjukkan kesetaraan antara massa yang tidak diketahui dan tumpukan massa standar (dikalibrasi).

Demikian juga, detektor nol hanya menunjukkan kapan tegangan antara titik 1 dan 2 sama, yang (menurut Hukum Tegangan Kirchhoff) akan menjadi ketika sumber tegangan yang dapat diatur (simbol baterai dengan panah diagonal melewatinya) sama persis dalam tegangan. ke drop di R2.

Untuk mengoperasikan instrumen ini, teknisi akan secara manual menyesuaikan output dari sumber tegangan presisi hingga detektor nol menunjukkan tepat nol (jika menggunakan headphone audio sebagai detektor nol, teknisi akan berulang kali menekan dan melepaskan sakelar tombol, mendengarkan keheningan untuk menunjukkan bahwa rangkaian itu "seimbang"), dan kemudian catat tegangan sumber seperti yang ditunjukkan oleh voltmeter yang terhubung melintasi sumber tegangan presisi, indikasi itu mewakili tegangan melintasi resistor 250 MΩ yang lebih rendah:

Voltmeter yang digunakan untuk mengukur secara langsung sumber presisi tidak perlu memiliki sensitivitas /V yang sangat tinggi, karena sumber akan mensuplai semua arus yang dibutuhkan untuk beroperasi. Selama ada tegangan nol di detektor nol, akan ada arus nol antara titik 1 dan 2, sama dengan tidak ada pembebanan pada rangkaian pembagi yang diuji.

Patut ditegaskan kembali fakta bahwa metode ini, yang dijalankan dengan benar, menempatkan hampir nol beban pada sirkuit yang diukur. Idealnya, ini sama sekali tidak menempatkan beban pada sirkuit yang diuji, tetapi untuk mencapai tujuan ideal ini, detektor nol harus memiliki tegangan sama sekali nol , yang akan membutuhkan null meter yang sangat sensitif dan keseimbangan tegangan yang sempurna dari sumber tegangan yang dapat disesuaikan.

Namun, terlepas dari ketidakmampuan praktisnya untuk mencapai pembebanan nol mutlak, rangkaian potensiometri masih merupakan teknik yang sangat baik untuk mengukur tegangan di rangkaian resistansi tinggi. Dan tidak seperti solusi penguat elektronik, yang memecahkan masalah dengan teknologi canggih, metode potensiometri mencapai solusi hipotetis sempurna dengan memanfaatkan hukum dasar kelistrikan (KVL).

TINJAUAN:

• Voltmeter ideal memiliki hambatan tak terbatas.
• Resistensi internal yang terlalu rendah dalam voltmeter akan berdampak buruk pada sirkuit yang diukur.
• Vacuum tube voltmeters (VTVM), voltmeter transistor, dan sirkuit potensiometri adalah cara untuk meminimalkan beban yang ditempatkan pada sirkuit yang diukur. Dari metode ini, teknik potensiometri ("keseimbangan nol") adalah satu-satunya yang mampu menempatkan nol beban di sirkuit.
• Sebuah pendeteksi nol adalah perangkat yang dibuat untuk sensitivitas maksimum terhadap tegangan atau arus kecil. Ini digunakan dalam rangkaian voltmeter potensiometri untuk menunjukkan tidak adanya tegangan antara dua titik, sehingga menunjukkan kondisi keseimbangan antara sumber tegangan yang dapat diatur dan tegangan yang diukur.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Penggunaan Voltmeter Dasar