Что вы знаете о вольтметре
Перейти к содержимому

Что вы знаете о вольтметре

  • автор:

Вольтметры: виды и принцип работы

Вольтметр — устройство, с помощью которого измеряют напряжение электрической цепи. При этом можно проводить замеры как постоянного, так и переменного тока.

Какие бывают вольтметры

Есть несколько факторов, на основании которых классифицируют вольтметры:

  • Принцип действия;
  • Конструкция;
  • Назначение.

Также при выборе измерительного оборудования важно помнить о его технических характеристиках: нужно учитывать температуру, влажность, атмосферное давление, напряжение и другие факторы, при которых возможно задействовать вольтметр в цепи. Кроме этого, большую роль играет тип объекта, на котором будут проводиться измерения.

На чем основан принцип работы вольтметра

Схема цифрового вольтметра.png

По принципу действия вольтметры делят на:

  • Электромеханические;
  • Электронные.

Измерения прибором первого типа основываются на взаимодействии конструктивных механизмов (рамки, стрелки, металлических наконечников) и напряжения. В результате взаимодействия появляется электромагнитное поле, которое с помощью стрелки отображает полученный результат. Таким образом входное переменное напряжение преобразовывается в постоянное. Чем больше величина входного напряжения, тем больше отклоняется стрелочный указатель.

Цифровой вольтметр считается более точным по сравнению с аналоговыми приборами. Работа устройства основана на трансформировании входного напряжения в цифровой показатель, отображающийся на дисплее. При этом точность результата зависит от того, какой дискретностью обладает устройство. Технические и функциональные возможности универсальных цифровых вольтметров позволяют использовать прибор как на производстве, так и при проведении лабораторно-исследовательских и научных работ.

Особенности конструкции

Конструктивно вольтметры делятся на стационарные и портативные. Первый вид характеризуется более сложной измерительной схемой по сравнению с другими модификациями. Также часто одним из преимуществ таких приборов считается диапазон измерений.

Портативные вольтметры отличаются мобильностью. Поэтому их можно использовать на объектах производственного цикла.

Для чего используется вольтметр

В7-78/1 - универсальный вольтметр

По назначению все измерительные устройства можно разделить на следующие типы:

  • Импульсные. Используются для замеров коротких импульсов.
  • Селективные. Приборы этого типа применяют для избирательного выделения определенных гармоник в сложном сигнале.
  • Вольтметры для работы в сетях переменного/постоянного тока.
  • Фазочувствительные, или векторметры. Такие приборы применяют не только для определения комплексного напряжения, но и для измерения отдельных составляющих электрической цепи.
  • Универсальные. Многофункциональный тип вольтметров, с помощью которого производят замеры ЭДС в разных видах сетей. Одним из преимуществ таких приборов считается небольшое потребление энергии при богатом наборе функциональных возможностей.

Перед выбором вольтметра важно определиться, какой тип измерений будет производиться с его помощью и с какой точностью необходимо получить результат. Если нужна консультация, или возникли вопросы, можно связаться с менеджерами СОЮЗ-ПРИБОР по телефону, электронной почте или через форму обратной связи.

Вольтметр-измеряем напряжение. Назначение, принцип работы, типы.

Вольтметр – это прибор, назначение которого измерять электродвижущую силу (ЕДС) на определенном участке электрической цепи, или проще – прибор для измерениянапряжения (разность электрических потенциалов). Этот прибор всегда подключается параллельно элементу питания или нагрузке. Измеренное значение вольтметр показывает в Вольтах.

Если говорить об идеальном вольтметре, то он должен обладать бесконечным внутренним сопротивлением, чтобы точно измерять напряжение и не оказывать побочного воздействия на цепь. Именно поэтому в приборах высокого класса стараются сделать максимально возможным внутреннее сопротивление, от которого зависит точность измерения и помехи, создаваемые вольтметром в электрической цепи.

вольтметр-7

Рисунок – Формулы измерения напряжения

Если говорить о способе монтажа, то вольтметры подразделяют на три основные группы:

вольтметр 6

Как становится ясно из названия, стационарные приборы используются там, где необходим постоянный контроль, щитовые – в распределительных щитках и на приборных панелях, а переносные – в компактных приборах, которые можно использовать в любом месте.

Рисунок – Схема подключения вольтметра

Посмотрите видео о подключении вольтметра:

По назначению все вольтметры делятся

Вольтметры переменного тока, как и постоянного используются для измерений в сетях с соответствующим типом тока, а вот селективные – могут отделять гармоническую составляющую сложного сигнала, и определять среднеквадратическое значение напряжения.

Импульсный вольтметр обычно используют для измерений амплитуды постоянных импульсных сигналов, а также они способны точно определить амплитуду одиночного импульса.

Фазочувствительные приборы могут измерять изменения составляющих комплексных напряжений, благодаря чему становится возможным точное исследование амплитудно-фазовой характеристики усилителей, и прочих подобных схем.

По принципу действия различают электронные (цифровые или аналоговые), и электромеханические вольтметры (электромагнитные, термоэлектрические, а также магнитоэлектрические, электродинамические и электростатические).

Все электромеханические приборы, за исключением термоэлектрических, по сути, являются обычным измерительным механизмом с показывающим устройством. Во всех них для расширения пределов измерений применяются дополнительные сопротивления.

Приборы данной категории, не смотря на довольно высокое внутреннее сопротивление, имеют относительно большую погрешность, что делает невозможным их использование в ходе экспериментов и исследований, где требуется повышенная точность данных.

Термоэлектрический вольтметр использует для замеров электродвижущую силу одной или нескольких термопар, которые греются из-за тока входящего сигнала. Они более точны и компактны, в сравнении с электромеханическими измерителями напряжения.

Электронные вольтметры в свою очередь подразделяются на цифровые и аналоговые.

Цифровой вольтметр преобразует постоянное значение напряжения в цифровой сигнал, который и выводится на табло прибора. Делается это при помощи аналого-цифрового преобразователя.

В аналоговых вольтметрах помимо магнитоэлектрического измерителя и дополнительных резисторов в обязательном порядке присутствует измерительный усилитель, позволяющий в несколько раз повысить внутреннее сопротивление прибора, и соответственно – улучшить точность показаний.

Рассмотрим несколько вольтметров разных производителей

Вольтметр 21. В3-57 – микровольтметр

Измерительное устройство модели В3-57 – вольтметр-преобразователь среднеквадратич. показаний. Разработан для замеров среднеквадратич. значения напряжений произвольной формы и их линейного преобразован. в напряжение постоян. тока. Шкала прибора промаркирована в среднеквадратич. значениях напряжения и децибелах (от 0 дБ и до 0,775 В). Используется при контроле и наладке разнообразных радиотелетехнических устройств и средств связи, вычислении частотных характеристик широкополосных аппаратов, обследованиях шумовых устойчивых сигналов и т. д.

– Пределы замеров напряжений 10 мкВ – 300 В с граничными зонами: 0,03-0,1-0,3-1-3-10-30-100-300мВ 1-3-10-30-100-300В

– Границы частот 5 Гц – 5 МГц

– Допустимая погрешность, %: ±1 (30-300 мВ), ±1,5 (1-10 мВ), ±2,5 (0,1-0,3 мВ и 1-300 В), ±4 (0,03 мВ)

– Входное сопротивл.5 МОм ±20%

– Входная емкость: 27пФ (0,03-300 мВ) и 12 пФ (1-300 В)

– Напряжение на выходе линейного преобразоват. 1 В

– Сопротивление на выходе линейного преобразоват. 1 кОм ±10%

– Предельный коэфф. амплитуды сигнала 6*(Uk/Ux)

Вольтметр 3

2.Вольтметры переменного напряжения АКИП-2401

– Измерение ср.квадратического значения переменного напряжения

– Диапазон частот: 5 Гц…5 МГц

– Диапазон измерения напряжения: 50 мкВ…300 В (6 пределов)

– Два измерительных ВЧ входа: Кан1 / Кан2

– Максимальное разрешение: 0,0001 мВ

– Отображение уровня входного сигнала в дБн, дБм, Uпик

– Автоматический или ручной выбор пределов измерений, удержание результата (Hold)

Вольтметр 43. Вольтметр В7-40/1

Высококачественный цифровой универсальный прибор, предназначенный для измерения постоянного и переменного напряжений, силы токов и сопротивления постоянному току. вольтметр В7-40/1 применяется при производстве радиоаппаратуры и электрорадиоэлементов, при научных и экспериментальных исследованиях, в лабораторных и цеховых условиях. Встроенный в вольтметр В7-40/1 интерфейс IEEE 488 позволяет успешно использовать его в составе автоматизированных информационно – измерительных систем.

Вольтметр В7-40/1 соответствует жестким условия эксплуатации.

– Точность измерения по постоянному току вольтметра В7-40/1 – 0,05 %

– Максимальная разрешающая способность В7-40/1 – 1 мкВ; 10 мкА; 1 мОм

– Диапазоны 0,2; 20; 200; 1000 (2000) В

– Разрешение 1, 10, 100 мкВ; 1; 10 мВ

– Основная погрешность измерения ±(0,04 %+ 5 ед. мл. р)

– на диапазоне 0,2 В не менее 1 ГОм

– на диапазоне 2 В не менее 2 ГОм

– на диапазонах 200….1000 В, не менее 10 МОм

Ещё одно видео о способе подключения вольтметра:

Вольтметр. Измерение напряжения

на прошлых уроках мы с вами выяснили что электрический ток можно охарактеризовать такой физической величиной как сила тока прибор для измерения силы тока называется амперметр амперметр надо включать в разрыв электрической цепи и вы знаете еще есть правила по которым нужно этот амперметр включать сейчас мы не будем этого повторять лучше пойдем дальше я хотел бы начать урок не с того чтобы записывать тему урока а с небольшой демонстрации у меня вот здесь на столе приготовлено обычная настольная лампа лампочка от карманного фонаря они соединены одна за другой и выводы подключены вот к этой вилки которую я сейчас включу осветительную сеть для того чтобы было понятно что происходит давайте оставим место для тема урока и в рисунок даже не схему рисунок того что сейчас лежит у нас на столе и так оставляем не оставили темы вот большая лампочка вот и и патрон но и точнее цоколь вот выводы а вот маленькая лампочка от карманного фонарика вот и и цоколь эти две лампочки мы включаем одну за другой вот так смотрите вывод от цоколя этой большой лампы я подключаю к источнику тока у нас источником тока будет осветительная сеть поэтому я здесь просто напишу источник тока затем вот этот средний вывод большой лампе я присоединяю к цоколю маленькая лампа а средний вывод маленькой лампы присоединяю к источнику тока допустим здесь у нас положительный полюс здесь отрицательный но хочу сразу сказать что на самом деле у нас сеть переменного тока там 50 раз в секунду плюс и минус меняются местами но для этой задачи это обстоятельство не имеет значения нам проще рассуждать если у нас источник постоянного тока который течет все время в одну сторону и сейчас мы этот эксперимент с вами проведем и так две лампочки вот такое соединение называется последовательным мы соединяем последовательно здесь есть выключатель на настольной лампе он сейчас разомкнут я включаю эту электрическую цепь подключаю к источнику тока и замыкаю выключатель тут он не нарисован что мы видим и эта лампа горит ярко правда а эта лампа горит света от какой лампы больше вот от этой от этой света меньше ребята а сила тока в какой лампе больше сила тока одинаковая но несмотря на то что сила тока в этой лампе и в этой одна и та же почему-то эта лампа светит ярче а это светит тускло давайте это обстоятельство сейчас отметим на нашем рисунке светит ярко а эта лампочка светит тускло а сила тока одна и та же здесь сила тока примерно мы измеряли силу тока в этой лампочке на прошлом уроке у нас получилось помните там 026 ампера 028 ампера значит будем писать сила тока в этой лампе и равняется 0 мы например 3 ампера вот этот ток втекает в лампочку большую протекает по ней здесь поскольку заряды не накапливаются какой заряд входит в большой лампу такой и выходит и здесь сила тока будет та же самая заряда не накапливаются 0 3 ампер здесь сила тока тоже 0 3 ампер но почему-то эта лампа светит ярко а это лампа светит тускло значит есть какая-то разница в режимах работы этих двух ламп и вот оказывается эта разница определяется физической величиной которая является характеристикой поля и носит название электрическое напряжение давайте запишем наконец тема урока тема электрическое напряжение . единицы напряжение . вольтметры электрическое напряжение единицы напряжения вольтметр на сегодня два урока домашнее задание сразу по двум уроком будет таким конспект по учебнику перышкина параграф из 39 по 41 prograf и 39-41 далее с сайта нашего класса или сайта ришельевского лицея библиотеки или из библиотеки нашего класса скачайте пожалуйста задачник скачать задачник кирик 8 у него там название самостоятельные и контрольные работы по физике но я условно называем кирик 8 для 8 класса из этого задачника после того как вы его скачаете выполнить задание с номерами 5-6 достаточного уровня на странице ада и 2 высокого уровня эти задачи находятся на странице 38 а также задачи 56 достаточного уровня и один высокого уровня эти находятся на странице 40 это на завтра завтра у нас с вами тоже урок записали а теперь давайте попробуем разобраться в том какого же разница в этих двух ситуациях один и тот же ток то есть за каждую секунду через эту лампочку протекает три десятых кулона и через эту лампочку протекает три десятых кулонов электрического заряда раз сила тока три десятых ампера но здесь лампочка светится ярче а здесь она светится тускло а почему лампа светится вот эта лампа лампа накаливания мы говорили с вами что за это отвечает тепловое действие тока ток протекая через спираль электрической лампочки нагревает ее настолько сильно что она начинает светиться скажите пожалуйста когда электрический заряд перемещается по спирали на него действует какая-то сила на него действуют силы со стороны электрического поля которая создает источник тока это сила проталкивает электрические заряды через спираль эту и через спираль этой лампочке если на тело или на частицу в нашем случае этой электронной действует сила и тела при этом перемещается то мы можем сказать что сила это совершает работу эта работа здесь идет на нагрев нити и здесь идет на нагрев нити но раз здесь нет нагревается сильнее ярче светит лампа значит тут электрическая сила или как принято говорить электрическое поле или говорят еще электрический ток но на самом деле работа всегда привязаны к силе значит здесь совершается большая работа а здесь совершается меньшая работа хотя через эту спираль и через эту спираль прошел один и тот же электрический заряд каждую секунду три десятых кулона и так получается что здесь электрическая сила будем варить электрическое поле совершает большую работу по перемещению того же электрического заряда чем здесь похожего ситуацию мы можем встретить и принят на рассмотрение движения жидкостей вот давайте рассмотрим hydra динамическую аналогию мы уже с вами говорили о том что электрический ток можно уподобить течению воды проводник эта труба вода это электрические заряды и вот сейчас я с конструирует такое устройство сейчас мы выключим это и смотрите вот у нас баг в нем есть отверстие здесь вода это вода вытекает и пройдя достаточно большое расстояние по вертикали крутит крыльчатку турбинку вот такую она вращается значит поток воды совершает работу по вращению этой турбинки вот эта высота пусть будет аж большое дальше эта вода попадает похоже сосуд внизу тоже есть отверстие здесь вода тоже накапливается течет дальше и тут уже поблизости не на такой большой высоте они далеко мы располагаем вещи ладно турбинку это турбина вращается вот этим потоком воды это турбинка вращается этим же потоком воды потом эта жидкость накапливается у нас в каком-то бассейне вот так высота которую проходит вода перед маленькой дубинкой меньше обозначим ее аж малая аж большой больше h-moll и скажите пожалуйста если здесь протекает например один килограмм в секунду 1 килограмм в секунду и здесь протекает через поперечное сечение вот этой струи один килограмм секунду как вы думаете работа которую совершит вода вращая вот эту турбинку и работа которую совершит вода вращая вот эту турбинку будет одинаковая нет значит одна и та же масса воды один и тот же электрический заряд падая с разной высоты может совершать разную работу то есть электрическое поле можно охарактеризовать величиной которая является аналогом высоты с которой падает жидкость одно и то же количество в зависимости от того с какой высоты эта жидкость падает может совершать разную работу одно и то же количество электричества один и тот же электрический заряд проходя в электрическом поле через эту ламповый через эту лампу может совершать разную работу и он мы будем с вами говорить что напряжение между выводами этой лампочке больше чем напряжение между доме этой лампочке точно также как высота между вот этим сосудам и этой турбин кай больше чем высота между разность высот лучше сказать между этим сосудам и от турбин гай вот только нам нужно ещё дополнить эту картину тем что здесь есть здесь есть источник тока что делает источник тока он заставляет циркулировать электрические заряды по замкнутому контуру здесь мы можем сделать то же самое давайте возьмём отсюда воду и будем ее с помощью насоса закачивать самый верхний сосуд вот и у нас организовался таким образом замкнутый цикл здесь вода поднимается потом она падая совершают работу скажите пожалуйста какая сила здесь совершает работу сила тяжести совершенно вверх какая сила здесь совершает работу электрическая сила сила с которой электрическое поле действует на заряды а теперь внимание вопрос на засыпку какая сила совершает работу в насосе против силы тяжести сила давления создаваемого насосом совершает работу против силы тяжести и какая сила совершает работу по перемещению заряда против электрической силы мы называли эту силу сторонняя сила молодцы итак смотрите какая получается аналогию здесь работу совершает сила тяжести работу совершает сила тяжести а вот здесь начинает их у двух участках здесь и здесь а здесь работу совершает сила давления где бы это написать работу совершает сила давление создаваемое насосом здесь на этих участках работу совершает электрическая сила или будем говорить электрическое поле работу совершает электрическое поле а здесь в источнике тока работу совершает или сторонняя сила в источнике тока сторонняя сила совершает работу против электрической силы или против электростатической силы можно сказать вот здесь во внешнем участке цепи за пределами источника тока работу совершает электрическое поле здесь работу совершает сила тяжести а в насосе работу совершать против силы тяжести сила давления создаваемого насосом а теперь смотрите что если здесь пройдет построение один килограмм а 10 килограмм что можно сказать о работе силы тяжести она будет увеличиваться в 10 раз а если мы эту работу разделим на массу протекших воды будет то же самое потому что если массу увеличить в 10 раз той работы увеличивается в 10 раз помните формулу для работы силы тяжести mch во сколько раз увеличилась масса во столько раз увеличилось работа а если вы работу разделите на массу останется же аж который не зависит от массы а теперь смотрим сюда если допустим здесь электрический ток протекал не одну секунду прошло три десятых кулона а 10 секунд пройдет три кулона 10 раз больше но если мы разделим работу совершенную электрическим полем по перемещению 3 десятых кулона за секунду или 3 кулон за 10 секунд у нас получится одна и та же величина отношении работы электрического поля к величине заряда которые протекает между двумя точками электрической цепи вот этой и этой во внешней цепи отношении не зависит от того какой заряд протек это отношения является характеристика электрического поля которая создает электричка источник тока и вот именно эта величина и носит название электрического напряжения мог теперь пора записать формулу которая является определением этой физической величины электрическое напряжение или просто напряжение всегда задается между какими-то двумя точками как разность высот задается между какими-то двумя точками здесь одна здесь другая точно также электрическое напряжение задается между какими-то двумя точками электрической цепи можно задать здесь можно задать здесь можно задать здесь обозначается электрическое напряжение буквой u и как я только что сказал это физическая величина равна отношению работы электрического поля по переносу заряда между двумя точками электрической цепи к величине этого заряда работу мы обозначаем буквой а перенесенный заряд буквой p вот эта формула отвечает на вопрос что такое электрическое напряжение пояснит здесь а работа электрического поля по переносу заряда между двумя точками цепи между двумя точками цепи q величина перенесенного заряда величина перенесенного заряда эта формула а теперь давайте сформулируем словами напряжением я буду варить просто напряжением не буду говорить электрическим напряжением между двумя точками электрической цепи записываем напряжением а между двумя точками электрической цепи называется физическая величина равная напряжением между двумя точками электрической цепи называется физическая величина равная отношению работы электрического поля равна и отношению работы электрического поля по переносу заряда между этими точками отношению работы электрического поля по переносу заряда между этими точками к величине перенесенного заряда отношению работы электрического поля по переносу заряда между этими точками к величине перенесенного заряда теперь в каких единицах измеряется электрическое напряжение единицы измерения электрического напряжения единицы работы в каких единицах измеряется работа все в джоулях в джоулях электрический заряд в кулонах и так напряжение измеряется в джоулях на кулон но это настолько важная физическая величина что для нее выбрана специально единицы измерения она называется вольт обозначается большой буквой v и называется вольт в честь итальянского физика алессандро вольта я о нем уже говорил когда мы обсуждали с вами источники тока итак если вас спросят в каких единицах измеряется напряжение вы скажете в вольтах а если вас спросят а что такое 1 вольт чтобы ответить на этот вопрос давайте посмотрим на эту формулу смотрите если работа по переносу заряда в 1 кулон равна одному джоуль то 1 делить на 1 будет 1 то тогда напряжение между этими двумя точками равно 1 вольт поэтому запишем 1 вольт это такое напряжение между двумя точками электрической цепи 1 вольт это такое напряжение между двумя точками электрической цепи при котором для переноса заряда в 1 кулон при котором для переноса заряда в 1 кулон между этими точками для это такое напряжение между двумя точками электрической цепи при котором для переноса заряда в 1 кулон между этими точками полем совершается работа в 1 джоуль для переноса заряда в 1 кулон между этими точками полем совершается работа в 1 джоуль и вот что такое 1 вольт если вы почитаете надписи на этой лампочке то вы найдете 220 вольт а если вы почитаете надпись на этой лампочке здесь написано три с половиной вольта поэтому когда один кулон проходит через эту лампу он совершает работу 220 джоулей а когда тот же самый кулон проходит через эту лампу он совершает работу всего три с половиной джоуля понятное дело что эта лампочка должна светиться гораздо ярче чем эта лампочка и работу по переносу электрического заряда легко найти если вы знаете эту формулу чтобы найти работу электрического поля мацуда можем выразить ее нужно умножить заряд который прошел по электрической цепи на напряжение вот так можно рассчитать работу электрического поля мы говорим электрического поля мы говорим электрического тока но на самом деле эта работа электрической силы которая заставляет упорядочена двигаться носители зарядов в проводнике но теперь раз существует физическая величина то должен существовать и прибор для измерения этой физической величины понятное дело что он называется вольтметр вольтметр обозначается вот так вампир metris действий буква а вольтметре здесь it латинская буква в вольтметр но бывают и более мелкие единицы например милливольт и тогда прибор для измерения таких небольших напряжений обозначается вот так м латинская маленькая в милливольтметр миль или вольтметр ну и давайте вспомним что один милливольт это сколько вольт 1 делить на 10 3 одна тысячная или 10 в минус 3 степени вольт бывает очень маленькие напряжения которые можно измерять прибором называемым микро вольтметр вот выводы микро вольтметра вот его обозначение латинская греческая буквами латинская буква в микро вольтметр один микро вольт сколько это вольт 10 минус 6 1 миллион и 10 минус 6 вольт и наконец в линиях электропередач которые передают энергию между городами напряжения например в одесской области это 110 тысяч вольт электростанции иногда вырабатывает напряжение которое потом доводится до 550 750 тысяч вольт или кило вот такие огромные напряжения измеряются киловольт метрами обозначается кило вольтметр вот так латинская буква к латинская буква в кило вольтметр один киловольт это 1000 вольт или 10 в третьей степени вольт пожалуйста накаливания смотри какой умница ребята нить накаливания длине и значит большее расстояние проходит заряды под действием электрического поля значит работа больше поэтому больше действительно электрическое напряжение молодец чем длиннее и проводник тем при той же силе тока через него напряжение на его концах будет больше мы об этом ещё будем говорить с вами в дальнейшем а пока что как же выглядят эти замечательные приборы давайте посмотрим на несколько вольтметров которая есть у нас в кабинете физики вот самый обыкновенный школьный вольтметр какое максимальное напряжение можно измерять с помощью этого вольтметра 6 вольт а вот другие приборы вот вольтметр которые устанавливают на электрических счетах его надо ставить вертикально об этом говорит вот этот знак такой вот перпендикуляр его предел измерения 50 вольт вот вольтметр с пределом измерения 15 вольт видимо это вольтметр очень точный потому что у него смотрите зеркальная шкала это не случайно сделали вот еще вольтметр он интересен тем что он позволяет мерять напряжение в двух пределах от 4 до 15 вольт и от 15 до 50 для этого у него есть общий вывод он обозначен звездочкой вот сейчас я крупнее покажу идите звездочка нарисована вот и вывод на котором написано 15 и вывод на котором написано 50 это для того чтобы измерять напряжение до 15 вольт вы используете два вот этих выводов и два вот этих чтобы измерять напряжение более высокие теперь каким же образом нужно подключать вольтметр в электрическую цепь и мы говорили с вами что напряжение характеризует электрическое поле между двумя точками электрической цепи скажите пожалуйста вот этот вольтметр измеряет напряжение где между какими двумя точками электрической между своими клеммами точно также как амперметр измеряет силу тока протекающего через него точно также вольтметр измеряет напряжение между вот этими двумя точками электрической цепи поэтому если вы хотите измерить напряжение на каком-то потребителя например на электрической лампочки вы должны проводниками соединиться с выводами этой электрической лампочки давайте нарисуем схему измерения напряжения с помощью вольтметра вот например источник тока батарейка вот лампочка я хочу измерить напряжение на лампочки для этого вольтметр подключается прямо к лампочке можно подключить вот сюда мы можно подключить и сюда вот так измеряют напряжение на лампочки на каждом вольтметре есть выводы плюс и минус я вам чуть позже их покажу как нужно подключать вольтметр чтобы он правильно работал смотрите вот здесь на вольтметре написано плюс здесь минус здесь на источнике тока написано плюс и минус клемма вольтметра со значком плюс соединяется тем участкам цепи который присоединён к положительному полюсу источника тока клемма на которой написан знак минус соединяется по электрической цепи с тем полюсом источника тока на котором написан знак минус и последнее скажите пожалуйста а можно ли вольтметр подключать непосредственно к источнику тока да или нет амперметр ни в коем случае потому что амперметр он ведет себя как просто проводник амперметр своим присутствием не должен влиять на электрическую цепь вот например я могу здесь разорвать электрическую цепь и сюда включить амперметр и никто ничего не заметит если хороший амперметр тогда мы за но измерим и силу тока и напряжения на лампочки а вольтметр он измеряет напряжение между двумя точками электрической цепи вот между этой от и если я лампочку уберу что-то изменится ничего вольтметр устроен так что он практически не потребляет электрического тока ток через него не течет поэтому если у вас почти не течет если у вас хороший вольтметр то от того что вы его подключаете напряжение на выводах лампочки не меняется можете даже лампочку не подключать вы можете подключить вольтметр непосредственно к источнику тока и вы измерите на решение характеристику электрического поля между полюсами источника тока вот у меня есть несколько источников тока давайте мы сейчас с вами немножко поиграемся воспользуемся в нашем школьном вольтметром сейчас я соберу электрическую цепь которое сначала будет предназначено для измерения напряжения на электрической лампочки и так у нас есть вольтметр вот он пока в сторонку его подключим сначала электрическую лампочку вот источник тока вот электрическая лампочка подключаем без всяких переключателей что было проще электрическую лампочку прямо к источнику тока один полюс это у нас какой минус к одному выводу лампочки другой полюс в другому выводу лампочка светится все отлично а теперь мы хотим измерить напряжение на лампочки берем вольтметр смотрим где у него положительный где у него отрицательный полюс вот плюс вот минусы значит этот нужно подключить к отрицательному полюсу батарейки точнее с той стороны где отрицательный полюс вот включаем сюда а этот вывод включаем сюда вольтметр показывает напряжение около четырех вольт значит напряжение на лампочки около четырех вольт а теперь смотрите убираем лампочку она нас больше не интересует и попробуем измерить напряжение непосредственно на выводах батарейки смотрим больше четырех вольт почему так мы узнаем немного позже но во всяком случае мы видим что напряжение между выводами этой батареи 4,4 вольт а теперь возьмем какие-нибудь другие источники тока которые у нас есть я тут заготовил несколько разных например гальванические элементы вот один вот другой видите они имеют одинаковое внутреннее устройство но видите сильно различаются в размерах как вы думаете напряжение создаваемая каким источникам тока будет больше ребята если это источники у которых одинаково и внутреннее строение там протекает одна и та же химическая реакция там одни и те же вещества используются оказывается что они будут давать одно и то же напряжение например вот этот гальванический элемент сейчас я сделаю крупнее вот этот гальванический элемент создает напряжение это у нас минус минус к минусу привоз к плюсу создает напряжение порядка 1,35 четыре десятых а теперь возьмем такое же тут только маленький он устроен внутри точно так же ну просто более миниатюрный и вы видите что практически точно такое же напряжение значит напряжение создаваемая источником тока зависит от его устройство не важно как и он имеет размеры но большой источник тока больших размеров он способен просто большей электрический заряд через себя пропустить говорят он имеет большую электрическую емкость вот такой гальванический элемент это литиевый гальванический элемент вот тут можем увидеть значок + значит его мы подключаем к положительному полюсу а этот улицу и вы видите литиевый гальванический элемент создает напряжение чуть больше 3 вольт хотя это всего лишь гальванический элемент но там у нас другие химические процессы там происходит другая химическая реакция и поэтому напряжение на выводах этого источника тока будет другим пока перерыв нам еще предстоит сегодня встретиться отдыхать [музыка]

Что показывает вольтметр, или математика розетки

Сегодня я ненадолго отступлю от своей обычной темы о визуальном программировании контроллеров и обращусь к теме измерений напряжения прямо в ней, в розетке!

Родилась эта статья из дискуссий за чаем, когда разразился спор среди «всезнающих и всеведающих» программистов о том, чего многие из них не понимают, а именно: как измеряется напряжение в розетке, что показывает вольтметр переменного напряжения, чем отличается пиковое и действующие значения напряжений.

Скорее всего, это статья будет интересна тем, кто начинает творить свои устройства. Но, возможно, поможет и кому-то опытному освежить память.

В статье рассказано о том, какие напряжения есть в сети переменного тока, как их измеряют и о том, что следует помнить при проектировании электронных схем.
Всему дано краткое и упрощённое математическое обоснование, чтобы было ясно не только «как», но и «почему».

Кому не интересно читать про интегралы, ГОСТы и фазы — могут сразу переходить к заключению.

Вступление

Когда люди начинают говорить о напряжении в розетке, очень часто стереотип «в розетке 220В» скрывает от их взора реальное положение дел.

Начнем с того, что согласно ГОСТ 29322-2014, сетевое напряжение должно составлять 230В±10% при частоте 50±0,2Гц (межфазное напряжение 400В, напряжение фаза-нейтраль 230В). Но в том же ГОСТ имеется примечание: «Однако системы 220/380 В и 240/415 В до сих пор продолжают применять».

Согласитесь, что это уже совсем не то однозначное «в розетке 220В», к которому мы привыкли. А когда речь начинает идти о «фазном», «линейном», «действующем» и «пиковом» напряжениях — вообще каша получается знатная. Так сколько же вольт в розетке?

Чтобы ответить на этот вопрос начнем с того, как измеряется напряжение в сети переменного тока.

Как измерять переменное напряжение?

Прежде, чем углубиться в дебри цепей переменного тока и напряжения, вспомним школьную физику цепей тока постоянного.

Цепи постоянного тока — вещь простая. Если мы возьмем некоторую активную нагрузку (пусть это будет обычная лампа накаливания, как на рисунке) и воткнем ее в цепь постоянного тока, то все, что происходит в нашей цепи будет характеризоваться всего двумя величинами: напряжением на нагрузке U и током, протекающим через нагрузку I. Мощность, которая потребляется нагрузкой однозначно вычисляется по формуле, известной со школы: .

Или, если учесть, что по закону Ома , то мощность P, потребляемую нагрузкой-лампочкой, можно вычислить по формуле .

С переменным напряжением все куда сложнее: в каждый момент времени — оно может иметь разное мгновенное значение. Следовательно, в разные моменты времени, на нагрузке, подключенной к источнику переменного напряжения (например, на лампе накаливания, воткнутой в розетку) будет выделяться разная мощность. Это очень неудобно с точки зрения описания электрической цепи.

Но нам повезло: форма напряжения в розетке синусоидальная. А синусоида, как известно, полностью описывается тремя параметрами: амплитудой, периодом и фазой. В однофазных сетях (а обычная розетка с двумя дырочками именно и есть однофазная сеть) про фазу можно забыть. На рисунке подробно показаны два периода сетевого однофазного напряжения. Того самого, что в розетке.

Рассмотрим, что означают все эти буковки на рисунке.

Период T — это время между двумя соседними минимумами или соседними максимумами синусоиды. Для осветительной сети РФ этот период составляет 20 миллисекунд, что соответствует частоте 50Гц. Частота колебаний напряжения электрической сети выдерживается очень точно, до долей процента.

Очевидно, что в любых двух точках синусоиды, отстоящих друг от друга на целое число периодов, напряжения всегда равны между собой.

Амплитуда Um — это максимальное напряжение, пик синусоиды. Про действующее напряжение поговорим чуть ниже.

Напряжение в розетке (или однофазной сети) описывается формулой

где t — текущий момент времени, Um — амплитуда (или пиковое значение) напряжения, T — период сетевого напряжения.

Если с однофазным переменным напряжением более или менее все ясно, то попробуем посчитать мощность, которая выделяется на нашей любимой лампе накаливания, при втыкании ее прямо в розетку.

Так как лампа накаливания является активной нагрузкой (а это значит, что ее сопротивление не зависит от частоты напряжения и тока), то мгновенная мощность, выделяемая на лампе накаливания, воткнутой в розетку, будет вычисляться по формуле

где t — текущий момент времени, а R — сопротивление лампы накаливания при нагретой спирали. Зная амплитуду переменного напряжения Um, можно записать:

Понятно, что мгновенная мощность — неудобный параметр, да и на практике не особо нужный. Поэтому практически обычно применяется мощность, усредненная за период.
Именно усредненная мощность указана на лампочках, нагревателях и прочих бытовых утюгах.

Рассчитывается усредненная мощность в общем случае по формуле:

А для нашей синусоиды — по гораздо более простой формуле:

Можете сами подставить вместо функцию и взять интеграл, если не верите.

Не думайте, что про мощность я вспомнил просто так, из вредности. Сейчас поймете, зачем она нам была нужна. Переходим к следующему вопросу.

Что же показывает вольтметр?

Для цепей постоянного тока, тут все однозначно — вольтметр показывает единственное напряжение между двумя контактами.

С цепями переменного тока все опять сложнее. Некоторые (и этих некоторых не так мало, как я убедился) считают, что вольтметр показывает пиковое значение напряжения Um, но это не так!

На самом деле, вольтметры обычно показывают действующее или эффективное, оно же среднеквадратичное, напряжение в сети .

Разумеется, речь идет о вольтметрах переменного напряжения! Поэтому, если будете измерять вольтметром напряжение сети, обязательно убедитесь, что он находится в режиме измерения переменного напряжения.

Оговорюсь, что «пиковые вольтметры», показывающие амплитудные значения напряжения, тоже существуют, но на практике при измерении напряжения питающей сети в быту обычно не применяются.

Разберемся, почему такие сложности. Почему бы не измерять просто амплитуду? Зачем выдумали какое-то «действующее значение» напряжения?

А все дело в потребляемой мощности. Я ведь не просто так писал о ней. Дело в том, что действующее (эффективное) значение переменного напряжения равно величине такого постоянного напряжения, которое за время, равное одному периоду этого переменного напряжения, произведет такую же работу, что и рассматриваемое переменное напряжение.

Или, по-простому, лампочка накаливания будет светить одинаково ярко, воткнем ли мы ее в сеть постоянного напряжения 220В или в цепь переменного тока с действующим значением напряжения 220В.

Для тех, кто уже знаком с интегралами или еще не забыл математику, приведу общую формулу расчета действующего напряжения произвольной формы:

Из этой формулы также становится ясно, почему действующее (эффективное) значение переменного напряжения также называют «среднеквадратичным».

Заметим, что подкоренное выражение и есть та самая «усредненная за период мощность», стоит только поделить это выражение на сопротивление нагрузки R.

Применительно к синусоидальной форме напряжения, страшный интеграл после несложных преобразований превратится в простую формулу:

где — действующее или среднеквадратичное значение напряжение (то самое, которое обычно показывает вольтметр), а Um — амплитудное значение.

Действующее напряжение хорошо тем, что для активной нагрузки, расчет усредненной мощности полностью совпадает с расчетом мощности на постоянном токе:

Это и не удивительно, если вспомнить определение действующего значения напряжения, которое было дано чуть выше.

Ну и, наконец, посчитаем, чему же равна амплитуда напряжения в розетке «на 220В«:

В худшем случае, если у вас сеть на 240В, да еще и с допуском +10%, амплитуда будет аж !

Поэтому, если хотите, чтобы ваши устройства, питающиеся от сети, работали стабильно и не сгорали, выбирайте элементы, которые выдерживают пиковые напряжения не менее 400В. Разумеется, речь идет об элементах, на которые непосредственно подаётся сетевое напряжение.

Отмечу, что для не-синусоидальной формы сигнала действующее значение напряжения рассчитывается по иным формулам. Кому интересно — могут сами взять интегралы или обратиться к справочникам. Нас же интересует питающая сеть, а там всегда должна быть синусоида.

Фазы, фазы, фазы…

Помимо обычной однофазной осветительной сети ~220В все слышали и о трехфазной сети ~380В. Что такое 380В? А это межфазное эффективное напряжение.

Помните, я сказал, что в однофазной сети про фазу синусоиды можно забыть? Так вот, в трехфазной сети этого делать нельзя!

Если говорить по простому, то фаза — это сдвиг во времени одной синусоиды относительно другой. В однофазной сети мы всегда могли принять за начало отсчета любой момент времени — на расчеты это не влияло. В трехфазной сети необходимо учитывать насколько одна синусоида отстоит от другой. В трехфазных сетях переменного тока каждая из фаз отстоит от другой на треть периода или на 120 градусов. Напомню, что период измеряется также в градусах и полный период равен 360 градусов.

Если мы возьмем осциллограф с тремя лучами и прицепимся к трем фазам и одному нулю, то увидим такую картину.

«Синяя» фаза — начинается от нуля отсчета. «Красная» фаза — на треть периода (120 градусов) позже. И, наконец «зеленая» фаза начинается на две трети периода (240 градусов) позже «синей». Все фазы абсолютно симметричны друг относительно друга.

Какую именно фазу брать за точку отсчета — не важно. Картина будет одинаковой.

Математически можно записать уравнения всех трех фаз:

«Синяя» фаза:

«Красная» фаза:

«Зеленая» фаза:

Если измерить напряжение между любой из фаз и нулем в трехфазной сети — то получим обычные 220В (или 230В или 240В — как повезет, см. ГОСТ).

А если измерить напряжение между двумя фазами — то получим 380В (или 400В или 415В — не забываем об этом).

То есть трехфазная сеть — многолика. Ее можно использовать как три однофазные сети с напряжением 220В или как одну трехфазную сеть с напряжением 380В.

Откуда взялось 380В? А вот откуда.

Если мы подставим в формулу расчета действующего напряжения наши данные о двух любых фазах, то получим:

Uдф — действующее межфазное, оно же линейное напряжение.

Учитывая, что амплитуда каждой фазы получим, чтодля межфазного напряжения. На рисунке наглядно показано, как образуется межфазное напряжение, которое обозначено F1-F2 из двух фазных напряжений фаз F1 и F2. Напряжение фаз F1 и F2 измеряется относительно нулевого провода. Линейное напряжение F1-F2 измеряется между двумя разными фазными проводами.

Как видим, что действующее межфазное напряжение больше амплитуды синусоидального напряжения одной фазы.

Амплитуда межфазного напряжения составляет:

Для наихудшего случая (сеть 240В и межфазное напряжение 415В, да еще 10% сверху) амплитуда межфазного напряжения составит:

Учтите это при работе в трехфазных сетях и выбирайте элементы, рассчитанные не менее, чем на 650В, если им предстоит работать между двумя фазами!

Надеюсь, теперь понятно что показывает вольтметр переменного тока?

Заключение

Итак, очень кратко, почти на пальцах, мы ознакомились с тем какие напряжения действуют в бытовых сетях переменного тока. Подведем краткие итоги всего, изложенного выше.

  • Фазное напряжение — это напряжение между фазой и нулевым проводом.
  • Линейное или межфазное напряжение — это напряжение между двумя разными фазными проводами одной трехфазной сети.
  • В сетях переменного тока РФ действуют три, хоть и близких, но разных стандарта (фазное/линейное): 220В/380В, 230В/400В и 240В/415В переменного тока с частотой 50Гц.
  • Вольтметр переменного тока обычно показывает действующее (оно же среднеквадратичное, оно же эффективное) напряжение, которое в раза меньше, чем пиковое (амплитудное) напряжение в сети.
  • В наихудшем с точки зрения стандартов случае пиковое фазное напряжение составляет примерно 373В, а пиковое линейное напряжение — 645B. Это следует учитывать при разработке электронных схем.

Отправлять предложения и пожелания, замеченные опечатки и просто мнения можно в комментарии или на почту: shiotiny@yandex.ru.

  • электроника для начинающих
  • сети для самых маленьких
  • разработка электроники
  • Разработка для интернета вещей
  • Производство и разработка электроники
  • Энергия и элементы питания
  • Электроника для начинающих

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *