В последние годы на рынке появилось множество различных типов вольтметров. Учитывая относительно большое количество типов и классификационных категорий этих устройств, целесообразно рассмотреть, какими они могут быть с точки зрения принципа действия, назначения, конструкции и эксплуатации.
Что показывает вольтметр, или математика розетки
Сегодня я на мгновение отступлю от своей обычной темы визуального программирования элементов управления и обращусь к теме измерения напряжения непосредственно в розетке!
Эта статья выросла из обсуждения за чаем, когда между «знающими» и «умеющими» программистами разгорелся спор о том, чего многие из них не понимают, а именно: как измеряется напряжение в розетке, что показывает вольтметр переменного тока, в чем разница между пиковым и среднеквадратичным напряжением.
Эта статья должна быть интересна тем, кто начинает создавать свои собственные устройства. Но это также может помочь человеку с опытом освежить свою память.
В статье объясняется, что такое переменное напряжение, как оно измеряется и что нужно учитывать при проектировании электронных схем. Для всего есть краткое и упрощенное математическое обоснование, чтобы было понятно не только «как», но и «почему».
Те, кого не интересуют интегралы, ГОСТ и фазы, могут сразу перейти к концу.
Вступление
Говоря о напряжении в розетке, слишком часто используется клише «розетка 220 вольт», чтобы затушевать реальную ситуацию.
Первоначально, согласно ГОСТ 29322-2014, напряжение сети должно быть 230 В±10% при частоте 50±0,2 Гц (фазное напряжение 400 В, фазно-нейтральное напряжение 230 В), но в том же ГОСТе есть примечание: «Однако системы 220/380 В и 240/415 В по-прежнему используются».
Это не привычная нам «розетка 220 В». А когда речь идет о «фазном», «линейном», «активном» и «пиковом» напряжениях, то это чистый хаос. Сколько вольт в розетке?
Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сначала рассмотреть, как измеряется переменное напряжение.
Как измерять переменное напряжение?
Прежде чем мы углубимся в дебри цепей переменного тока и напряжения, нам следует вспомнить школьную физику цепей постоянного тока.
Цепи постоянного тока — простая вещь. Если мы подключим активную нагрузку (например, обычную лампочку, как на рисунке) к цепи постоянного тока, то все, что происходит в нашей цепи, характеризуется только двумя вещами: напряжением на нагрузке U и током, протекающим через нагрузку I. Напряжение — это мощность, потребляемая нагрузкой. Мощность, потребляемая нагрузкой, наглядно рассчитывается по знакомой со школы формуле:.
Или, учитывая закон Ома, мощность P, потребляемая нагрузкой лампы, может быть рассчитана по формуле.
С переменным током сложнее: он может иметь различные мгновенные значения в любой момент времени. Следовательно, нагрузка, подключенная к источнику переменного тока (например, лампа накаливания, подключенная к розетке), имеет разную выходную мощность в разное время. Это очень проблематично для описания схемы.
Но нам повезло: форма напряжения на розетке — синусоидальная. А синусоида, как мы знаем, полностью описывается тремя параметрами: Амплитуда, период и фаза. В однофазных сетях (а обычная розетка с двумя отверстиями — это только однофазная сеть) можно забыть о фазе. На рисунке подробно показаны два периода сети однофазного напряжения. Это в розетке.
Давайте посмотрим, что означают все эти буквы на картинке.
Период T — это время между двумя соседними минимумами или соседними максимумами синусоидальной волны. Для сети высокочастотного освещения этот период составляет 20 миллисекунд, что соответствует частоте 50 Гц. Частота колебаний сетевого напряжения поддерживается с высокой точностью в долях процента.
Очевидно, что напряжения в любых двух точках синусоиды, разделенных целым числом периодов, всегда равны.
Амплитуда Um — это максимальное напряжение, пик синусоиды. Фактическое напряжение Ud объясняется ниже.
Напряжение в розетке (или в однофазной сети) описывается следующей формулой
где t — фактическое время, Um — амплитуда (или пик) напряжения, а T — период сетевого напряжения.
Если с однофазным переменным напряжением все более или менее понятно, давайте попробуем рассчитать мощность, которую отдает наша любимая лампочка, когда она включена непосредственно в розетку.
Поскольку лампа накаливания является активной нагрузкой (т.е. ее сопротивление не зависит от частоты напряжения и тока), мгновенная мощность, вырабатываемая лампой накаливания, вставленной в цоколь, рассчитывается по следующей формуле
где t — мгновенное время, а R — сопротивление нити накала, когда нить горячая. Если мы знаем амплитуду переменного напряжения Um, мы можем написать:
Понятно, что мгновенная мощность является неудобным параметром и на практике не нужна. Поэтому на практике обычно используется средняя мощность за определенный период времени. Средняя мощность — это та, которая указывается на лампах, обогревателях и других бытовых приборах.
Средняя мощность обычно рассчитывается по следующей формуле:
Подробнее о приборе
Вольтметр используется для измерения напряжения в цепи. Вольтметр используется для измерения напряжения бытового прибора. Его название происходит от традиционного слова «метр», обозначающего измерительный прибор, и от единицы измерения напряжения — «вольт». Просто включите его в розетку, и он покажет напряжение.
Конечно, колебания есть, но они незначительны. Для правильного считывания показаний он должен иметь бесконечное внутреннее сопротивление, иначе его влияние на цепь, к которой он подключен, неизбежно. Конечно, такого сопротивления быть не может: Идеальных вольтметров не существует, но при их изготовлении прилагаются все усилия для увеличения внутреннего сопротивления.
Что такое напряжение
Чтобы понять, как именно работает вольтметр и что он показывает, необходимо знать, что является объектом его измерения. Важно понимать, что такое напряжение и от чего зависит его величина.
Как вы знаете из уроков физики в школе, величина рассчитывается по формуле U=IR, где:
- U — это собственно и есть напряжение;
- I — сила тока;
- R — сопротивление на участке цепи.
Чтобы найти напряжение сети, нужно умножить напряжение на сопротивление. Прежде чем это сделать, необходимо знать, что представляют собой два последних значения. Например, если напряжение составляет 5 ампер, а сопротивление — 2 Ом, то напряжение равно 10 вольтам.
Хотя приведенная выше формула максимально проста, она не говорит о том, что такое напряжение и зачем его вообще измерять. В конце концов, это просто цифры, не более того. Сам ток, к сожалению, не виден, как и заряженные мелкие частицы.
Для лучшего понимания мы можем сравнить ток в проводнике с объектами, которые мы часто наблюдаем в повседневной жизни. Здесь особенно полезно сравнение с движением воды в реках и водопадах, т.е. потоком воды с высокого уровня на низкий. Здесь тенденция соответствует высоте: разнице в высоте над уровнем моря. Другими словами, напряжение в сети соответствует давлению воды в реке. Если нет напряжения в сети, то нет и тока. Даже в водоеме, где уровень воды везде одинаков, например, в озере или пруду, нет течения.
На шкале прибора обычно обозначается буквой «V». Это позволяет лучше отличить его от других электроизмерительных приборов, таких как амперметр, который показывает силу тока. Дело в том, что эти инструменты очень похожи.
Диапазон вольтметра может быть различным. Приборы, предназначенные для подключения к слабой электросети, показывают максимум 5 вольт. Также доступны устройства с более широким диапазоном, например, 10 или 25 вольт. Более мощные устройства могут показывать напряжение до тысячи вольт. Конечно, все зависит от цели использования вольтметра.
Разновидности вольтметров
Существуют различные типы вольтметров. Прежде всего, вольтметры делятся на два основных типа:
- Стационарные. Как правило, встроены в саму сеть и отсоединение их не представляется возможным.
- Мобильные. Их можно переносить с места на место и использовать в разных электросетях.
Различные типы вольтметров также различаются по принципу действия. Среди них много электромеханических и некоторые электронные устройства. Последние, в свою очередь, могут быть цифровыми и аналоговыми. Значение напряжения может быть указано движущейся стрелкой или изменением электронных цифр на дисплее.
Вольтметры также классифицируются в зависимости от их назначения. Среди них есть приборы для измерения постоянного или переменного тока.
Кроме того, устройства могут быть импульсно-чувствительными, фазо-чувствительными и универсальными.
Самодельные устройства
Как собрать вольтметр своими руками, что для этого нужно, как устроен, как подключить вольтметр, как пользоваться вольтметром — вот неполный перечень вопросов, которые возникают у радиолюбителей и обычных пользователей. Работа вольтметра или принцип работы вольтметра уже обсуждался при рассмотрении различных типов и видов вольтметров.
Вольтметр можно изготовить без особых усилий. Основным компонентом вольтметра является циферблатный манометр. Напряжение на циферблате обозначается римской буквой «V». Конечно, желательно иметь вольтметр с необходимым диапазоном измерения. На левой стороне шкалы должна быть буква «О», а на правой — цифра, указывающая предел напряжения, измеряемого данным прибором.
Читайте также: Виды сверл по металлу: классификация и описание.
Это значение является результатом величины дополнительного сопротивления в корпусе готового прибора и тока полного отклонения стрелки микроамперметра.
В задачах часто необходимо измерять напряжения в широком диапазоне. Для обеспечения приемлемой точности необходимо использовать общую шкалу с набором дополнительных резисторов. Их количество зависит от напряжений, которые необходимо измерять во время работы.
Использование дополнительных резисторов позволяет измерять напряжение, превышающее последнее число на шкале. Для измерения напряжений меньшего значения с достаточной точностью необходимо найти прибор с меньшим числом максимального значения шкалы или модифицировать существующий прибор, изменив значение дополнительного резистора в корпусе прибора.
Входное сопротивление аналогового вольтметра обозначается относительным значением (сопротивлением). Единицей измерения является кΩ/В. Это означает, что значение входного сопротивления различно для разных значений измеряемого напряжения. Это позволяет сделать вывод, что наиболее точное измерение производится на правой стороне шкалы. Здесь важнее внутреннее сопротивление вольтметра, подключение которого оказывает меньшее негативное влияние на работу схемы. Выберите устройство с более высоким значением удельного сопротивления.
Если необходимо измерить переменное напряжение, эту проблему также можно решить с помощью небольшого усложнения схемы бытового прибора. Входное напряжение должно быть выпрямлено, что делает его однополярным.
Чтобы микроамперметр работал правильно, ток должен протекать только в одном направлении через обмотку каркаса прибора (клеммы прибора обозначены «+» и «-«). Только тогда стрела блока будет отклонена. Выпрямление может осуществляться в одинарном или двойном полуцикле. Это зависит от выбранной схемы выпрямителя. Чтобы определить фактическое напряжение, разделите показания счетчика примерно на 3 (однополупериодное выпрямление) или на 1,5 (двуполупериодное выпрямление).
Несколько советов начинающим
Эти советы помогут новичкам, которым впервые приходится использовать вольтметр в своей работе. Их не так много:
- Подключение вольтметра.
- Соблюдение полярности.
Полярность щупов, подключенных к вольтметру, должна соответствовать полярности напряжения, указанного на схеме.
Вольтметр всегда должен быть подключен параллельно измеряемой цепи. Это отличается от амперметра, который подключается к разрыву. В схеме однофазного выпрямителя переменного тока полярностью зондов можно пренебречь. Щупы следует держать так, чтобы ваши руки касались только изолированной части.
Первоначально опубликовано 2018-03-28 15:34:30.
