Impacto do voltímetro no circuito medido

Cada medidor impacta o circuito que está medindo até certo ponto, assim como qualquer medidor de pressão do pneu altera ligeiramente a pressão medida do pneu à medida que um pouco de ar é liberado para operar o medidor. Embora algum impacto seja inevitável, ele pode ser minimizado por meio de um bom projeto de medidor.

Circuito Divisor de Tensão

Uma vez que os voltímetros estão sempre conectados em paralelo com o componente ou componentes em teste, qualquer corrente através do voltímetro contribuirá para a corrente geral no circuito testado, potencialmente afetando a tensão que está sendo medida. Um voltímetro perfeito tem resistência infinita, de modo que não retira corrente do circuito em teste. No entanto, voltímetros perfeitos existem apenas nas páginas dos livros, não na vida real! Tome o seguinte circuito divisor de tensão como um exemplo extremo de como um voltímetro realista pode impactar o circuito de sua medição:



Sem um voltímetro conectado ao circuito, deve haver exatamente 12 volts em cada resistor de 250 MΩ no circuito em série, os dois resistores de valor igual dividindo a tensão total (24 volts) exatamente pela metade. No entanto, se o voltímetro em questão tiver uma resistência chumbo-a-chumbo de 10 MΩ (um valor comum para um voltímetro digital moderno), sua resistência criará um subcircuito paralelo com o resistor inferior do divisor quando conectado:



Isso reduz efetivamente a resistência inferior de 250 MΩ para 9,615 MΩ (250 MΩ e 10 MΩ em paralelo), alterando drasticamente as quedas de tensão no circuito. O resistor inferior agora terá muito menos voltagem do que antes, e o resistor superior muito mais.

Divisor de tensão medida

Um divisor de tensão com valores de resistência de 250 MΩ e 9,615 MΩ irá dividir 24 volts em porções de 23,11111 volts e 0,8889 volts, respectivamente. Como o voltímetro faz parte dessa resistência de 9,615 MΩ, é isso que ele indica:0,8889 volts.

Agora, o voltímetro só pode indicar a tensão em que está conectado. Não há como "saber" que houve uma queda de potencial de 12 volts no resistor inferior de 250 MΩ antes estava conectado através dele. O próprio ato de conectar o voltímetro ao circuito o torna parte do circuito, e a própria resistência do voltímetro altera a relação de resistência do circuito divisor de tensão, conseqüentemente afetando a tensão que está sendo medida.

Como funciona um voltímetro?

Imagine usar um medidor de pressão de pneu que gasta tanto ar para operar que esvaziaria qualquer pneu ao qual estivesse conectado. A quantidade de ar consumida pelo manômetro no ato da medição é análoga à corrente tomada pelo movimento do voltímetro para mover a agulha. Quanto menos ar um manômetro requer para operar, menos ele esvaziará o pneu em teste. Quanto menos corrente consumida por um voltímetro para acionar a agulha, menos sobrecarregará o circuito em teste.

Este efeito é chamado de carregamento , e está presente em algum grau em todas as instâncias de uso de voltímetro. O cenário mostrado aqui é o pior caso, com uma resistência do voltímetro substancialmente menor do que as resistências dos resistores divisores. Mas sempre haverá algum grau de carga, fazendo com que o medidor indique menos do que a tensão real sem nenhum medidor conectado. Obviamente, quanto maior a resistência do voltímetro, menor será a carga do circuito em teste, e é por isso que um voltímetro ideal tem resistência interna infinita.

Voltímetros com movimentos eletromecânicos normalmente recebem classificações em “ohms por volt” de faixa para designar a quantidade de impacto do circuito criado pelo consumo de corrente do movimento. Como esses medidores dependem de diferentes valores de resistores multiplicadores para fornecer diferentes faixas de medição, suas resistências de chumbo-a-chumbo mudarão dependendo de qual faixa estão definidas. Os voltímetros digitais, por outro lado, costumam exibir uma resistência constante em seus cabos de teste, independentemente da configuração da faixa (mas nem sempre!) E, como tal, geralmente são avaliados simplesmente em ohms de resistência de entrada, em vez de sensibilidade de “ohms por volt”.

O que "ohms por volt" significa é quantos ohms de resistência de chumbo a chumbo para cada volt de configuração de faixa na chave seletora. Vamos pegar nosso voltímetro de exemplo da última seção como exemplo:



Na escala de 1000 volts, a resistência total é 1 MΩ (999,5 kΩ + 500Ω), dando 1.000.000 Ω por 1000 volts de faixa, ou 1000 ohms por volt (1 kΩ / V). Esta classificação de “sensibilidade” de ohms por volt permanece constante para qualquer faixa deste medidor:



O observador astuto notará que a classificação de ohms por volt de qualquer medidor é determinada por um único fator:a corrente de escala total do movimento, neste caso 1 mA. "Ohms por volt" é o recíproco matemático de "volts por ohm", que é definido pela Lei de Ohm como corrente (I =E / R). Consequentemente, a escala real atual do movimento dita a sensibilidade Ω / volt do medidor, independentemente de quais faixas o projetista o equipa por meio de resistores multiplicadores. Neste caso, a classificação de corrente de escala completa do movimento do medidor de 1 mA dá a ele uma sensibilidade do voltímetro de 1000 Ω / V, independentemente de como o ajustamos com resistores multiplicadores.

Para minimizar a carga de um voltímetro em qualquer circuito, o projetista deve procurar minimizar o consumo de corrente de seu movimento. Isso pode ser conseguido redesenhando o próprio movimento para sensibilidade máxima (menos corrente necessária para a deflexão em grande escala), mas a compensação aqui é tipicamente a robustez:um movimento mais sensível tende a ser mais frágil.

Outra abordagem é aumentar eletronicamente a corrente enviada ao movimento, de modo que muito pouca corrente precise ser extraída do circuito em teste. Este circuito eletrônico especial é conhecido como um amplificador , e o voltímetro assim construído é um voltímetro amplificado .



O funcionamento interno de um amplificador é muito complexo para ser discutido neste ponto, mas basta dizer que o circuito permite que a tensão medida controle quanta corrente da bateria é enviada para o movimento do medidor. Assim, as necessidades de corrente do movimento são fornecidas por uma bateria interna ao voltímetro e não pelo circuito em teste. O amplificador ainda carrega o circuito em teste em algum grau, mas geralmente centenas ou milhares de vezes menos do que o movimento do medidor por si só.

Voltímetros de tubo de vácuo (VTVMs)

Antes do advento dos semicondutores conhecidos como “transistores de efeito de campo”, tubos a vácuo eram usados ​​como dispositivos de amplificação para realizar esse aumento. Tais voltímetros de tubo de vácuo , ou (VTVMs) já foram instrumentos muito populares para teste e medição eletrônicos. Aqui está uma foto de um VTVM muito antigo, com o tubo de vácuo exposto!



Agora, os circuitos amplificadores de transistor de estado sólido realizam a mesma tarefa em projetos de medidores digitais. Embora essa abordagem (de usar um amplificador para aumentar a corrente do sinal medido) funcione bem, ela complica enormemente o design do medidor, tornando quase impossível para o estudante iniciante de eletrônica compreender seu funcionamento interno.

Uma solução final e engenhosa para o problema de carregamento do voltímetro é a do potenciométrico ou saldo nulo instrumento. Não requer circuitos (eletrônicos) avançados ou dispositivos sensíveis como transistores ou válvulas, mas requer maior envolvimento e habilidade do técnico. Em um instrumento potenciométrico, uma fonte de tensão ajustável de precisão é comparada com a tensão medida e um dispositivo sensível denominado detector de nulo é usado para indicar quando as duas tensões são iguais.

Em alguns projetos de circuito, um potenciômetro de precisão é usado para fornecer a tensão ajustável, daí o rótulo potenciométrico . Quando as tensões são iguais, haverá corrente zero extraída do circuito em teste e, portanto, a tensão medida não deve ser afetada. É fácil mostrar como isso funciona com nosso último exemplo, o circuito divisor de tensão de alta resistência:

Detector de nulo

O “detector de nulo” é um dispositivo sensível capaz de indicar a presença de tensões muito pequenas. Se um movimento de medidor eletromecânico for usado como detector de nulo, ele terá uma agulha centrada na mola que pode desviar em qualquer direção de modo a ser útil para indicar uma tensão de qualquer polaridade. Como o objetivo de um detector de nulo é indicar com precisão uma condição de zero tensão, em vez de indicar qualquer quantidade específica (diferente de zero) como um voltímetro normal faria, a escala do instrumento usado é irrelevante. Os detectores nulos são normalmente projetados para serem tão sensíveis quanto possível, a fim de indicar mais precisamente uma condição de “nula” ou “equilíbrio” (tensão zero).

Um tipo extremamente simples de detector de nulos é um conjunto de fones de ouvido, os alto-falantes atuando como uma espécie de medidor de movimento. Quando uma tensão DC é inicialmente aplicada a um alto-falante, a corrente resultante através dele moverá o cone do alto-falante e produzirá um "clique" audível. Outro som de “clique” será ouvido quando a fonte DC for desconectada. Com base neste princípio, um detector de nulo sensível pode ser feito de nada mais do que fones de ouvido e um interruptor de contato momentâneo:



Se um conjunto de fones de ouvido de “8 ohms” for usado para essa finalidade, sua sensibilidade poderá ser bastante aumentada conectando-o a um dispositivo denominado transformador . O transformador explora os princípios do eletromagnetismo para “transformar” os níveis de tensão e corrente dos pulsos de energia elétrica. Neste caso, o tipo de transformador usado é um abaixador transformador, e converte pulsos de baixa corrente (criados fechando e abrindo o botão de pressão enquanto conectado a uma pequena fonte de tensão) em pulsos de corrente mais alta para conduzir com mais eficiência os cones de alto-falante dentro dos fones de ouvido.

Um transformador de “saída de áudio” com uma relação de impedância de 1000:8 é ideal para esse propósito. O transformador também aumenta a sensibilidade do detector ao acumular a energia de um sinal de baixa corrente em um campo magnético para liberação repentina nos alto-falantes do fone de ouvido quando a chave é aberta. Assim, ele produzirá "cliques" mais altos para detectar sinais menores:



Conectado ao circuito potenciométrico como um detector de nulo, o arranjo de interruptor / transformador / fone de ouvido é usado como tal:



O objetivo de qualquer detector de nulo é atuar como uma balança de laboratório, indicando quando as duas tensões são iguais (ausência de tensão entre os pontos 1 e 2) e nada mais. A viga de equilíbrio da balança de laboratório não pesa nada; em vez disso, simplesmente indica igualdade entre a massa desconhecida e a pilha de massas padrão (calibradas).



Da mesma forma, o detector de nulo simplesmente indica quando a tensão entre os pontos 1 e 2 são iguais, o que (de acordo com a Lei de Tensão de Kirchhoff) será quando a fonte de tensão ajustável (o símbolo da bateria com uma seta diagonal passando por ela) for precisamente igual em tensão para a queda em R2.

Para operar este instrumento, o técnico ajustaria manualmente a saída da fonte de tensão de precisão até que o detector de nulo indicasse exatamente zero (se estiver usando fones de ouvido como detector de nulo, o técnico pressionaria e soltaria repetidamente o botão de pressão, ouvindo o silêncio para indicar que o circuito estava "balanceado") e, em seguida, observe a tensão da fonte conforme indicado por um voltímetro conectado através da fonte de tensão de precisão, essa indicação sendo representativa da tensão através do resistor 250 MΩ inferior:



O voltímetro usado para medir diretamente a fonte de precisão não precisa ter uma sensibilidade Ω / V extremamente alta, porque a fonte fornecerá toda a corrente necessária para operar. Enquanto houver tensão zero no detector de nulo, haverá corrente zero entre os pontos 1 e 2, o que equivale a nenhum carregamento do circuito divisor em teste.

Vale a pena reiterar o fato de que este método, executado corretamente, coloca carga quase nula sobre o circuito medido. Idealmente, ele não coloca absolutamente nenhuma carga no circuito testado, mas para atingir esse objetivo ideal, o detector de nulo teria que ter tensão absolutamente zero através dele , o que exigiria um medidor nulo de sensibilidade infinita e um equilíbrio perfeito de tensão da fonte de tensão ajustável.

No entanto, apesar de sua incapacidade prática de atingir carga zero absoluta, um circuito potenciométrico ainda é uma excelente técnica para medir tensão em circuitos de alta resistência. E ao contrário da solução do amplificador eletrônico, que resolve o problema com tecnologia avançada, o método potenciométrico atinge uma solução hipoteticamente perfeita ao explorar uma lei fundamental da eletricidade (KVL).

REVER:

• Um voltímetro ideal tem resistência infinita.
• Uma resistência interna muito baixa em um voltímetro afetará adversamente o circuito que está sendo medido.
• Voltímetros de tubo de vácuo (VTVMs), voltímetros de transistor e circuitos potenciométricos são meios de minimizar a carga colocada em um circuito medido. Desses métodos, a técnica potenciométrica ("equilíbrio nulo") é a única capaz de colocar zero carga no circuito.
• Um detector de nulos é um dispositivo construído para máxima sensibilidade a pequenas tensões ou correntes. É usado em circuitos de voltímetro potenciométrico para indicar a ausência de tensão entre dois pontos, indicando assim uma condição de equilíbrio entre uma fonte de tensão ajustável e a tensão sendo medida.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de uso de voltímetro básico