Voltímetro potenciométrico

PEÇAS E MATERIAIS

• Duas baterias de 6 volts
• Um potenciômetro, volta única, 10 kΩ, cone linear (catálogo Radio Shack # 271-1715)
• Dois resistores de alto valor (pelo menos 1 MΩ cada)
• Detector de tensão sensível (do experimento anterior)
• Voltímetro analógico (do experimento anterior)

O valor do potenciômetro não é crítico:qualquer coisa de 1 kΩ a 100 kΩ é aceitável.

Se você construiu o “potenciômetro de precisão” descrito anteriormente neste capítulo, é recomendável usá-lo neste experimento.

Da mesma forma, os valores reais dos resistores não são críticos. Neste experimento específico, quanto maior for o valor, melhores serão os resultados. Eles não precisam ter exatamente o mesmo valor.

Se você ainda não construiu o detector de voltagem sensível, é recomendável que você construa um antes de prosseguir com este experimento!

É um equipamento de teste muito útil, mas simples, do qual você não deve ficar. Você pode usar um multímetro digital definido para a faixa "DC millivolt" (DC mV) em vez de um detector de voltagem, mas o detector de voltagem com fone de ouvido é mais apropriado porque demonstra como você pode fazer medições precisas de voltagem sem usando equipamentos de medição caros ou avançados. Eu recomendo usar seu multímetro caseiro pelo mesmo motivo, embora qualquer voltímetro seja suficiente para este experimento.



REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 1, capítulo 8:"Circuitos de Medição DC"



OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Para descrever a carga do voltímetro:suas causas e sua solução
• Para ilustrar como usar um potenciômetro como fonte de tensão variável
• Para ilustrar o método potenciométrico de medição de tensão

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

Construa o circuito divisor de tensão de dois resistores mostrado à esquerda do diagrama esquemático e da ilustração.

Se os dois resistores de alto valor são de igual valor, a tensão da bateria deve ser dividida pela metade, com aproximadamente 3 volts caindo em cada resistor.

Meça a tensão da bateria diretamente com um voltímetro e, em seguida, meça a queda de tensão de cada resistor.

Você percebe algo incomum nas leituras do voltímetro? Normalmente, as quedas de tensão em série somam-se à tensão total aplicada, mas, neste caso, você notará uma discrepância séria.

A lei de tensão de Kirchhoff é falsa? Isso é uma exceção a uma das leis mais fundamentais dos circuitos elétricos?

Não! O que está acontecendo é o seguinte:quando você conecta um voltímetro em qualquer resistor, o próprio voltímetro altera o circuito de forma que a tensão não seja a mesma que sem nenhum medidor conectado.

Gosto de usar a analogia de um medidor de pressão de ar usado para verificar a pressão de um pneu pneumático.

Quando um medidor é conectado à válvula de enchimento do pneu, ele libera um pouco de ar do pneu.

Isso afeta a pressão do pneu e, portanto, o medidor mostra uma pressão um pouco mais baixa do que a que estava no pneu antes de o medidor ser conectado.

Em outras palavras, o ato de medir a pressão dos pneus altera a pressão do pneu. Felizmente, no entanto, há tão pouco ar liberado do pneu durante o ato da medição que a redução na pressão é insignificante.

Os voltímetros têm um impacto semelhante na voltagem que medem, desviando de alguma corrente ao redor do componente cuja queda de voltagem está sendo medida.

Isso afeta a queda de tensão, mas o efeito é tão leve que você geralmente não percebe.

Neste circuito, porém, o efeito é muito pronunciado. Por que é isso? Tente substituir os dois resistores de alto valor por dois de 100 kΩ cada e repita o experimento.

Substitua esses resistores por duas unidades de 10 KΩ e repita. O que você nota sobre as leituras de tensão com resistores de valor inferior?

O que isso diz sobre o "impacto" do voltímetro em um circuito em relação à resistência desse circuito?

Substitua quaisquer resistores de valor baixo pelos resistores originais de valor alto (> =1 MΩ) antes de continuar.

Tente medir a tensão nos dois resistores de alto valor - um de cada vez - com um voltímetro digital em vez de um voltímetro analógico.

O que você nota sobre as leituras do medidor digital em comparação com as leituras do medidor analógico?

Voltímetros digitais normalmente têm maior resistência interna (ponta de prova a ponta de prova), o que significa que consomem menos corrente do que um voltímetro analógico comparável ao medir a mesma fonte de tensão.

Um voltímetro ideal consumiria corrente zero do circuito em teste e, portanto, não sofreria problemas de “impacto” de tensão.

Se acontecer de você ter dois voltímetros, tente o seguinte:conecte um voltímetro em um resistor e o outro voltímetro em outro resistor.

As leituras de tensão que você obtém somam-se à tensão total desta vez, não importa quais sejam os valores do resistor, mesmo que sejam diferentes das leituras obtidas de um único medidor usado duas vezes.

Infelizmente, porém, é improvável que as leituras de tensão obtidas desta forma sejam iguais às verdadeiras quedas de tensão sem medidores conectados e, portanto, não é uma solução prática para o problema.

Existe alguma maneira de fazer um voltímetro “perfeito”:um que tenha resistência infinita e não extraia corrente do circuito em teste?

Voltímetros de laboratório modernos abordam esse objetivo usando circuitos “amplificadores” de semicondutores, mas esse método é muito avançado tecnologicamente para que o estudante ou amador possa duplicar.

Uma técnica muito mais simples e muito mais antiga é chamada de potenciométrica ou saldo nulo método.

Isso envolve o uso de uma fonte de tensão ajustável para “equilibrar” a tensão medida.

Quando as duas tensões são iguais, conforme indicado por um detector de nulo muito sensível , a fonte de tensão ajustável é medida com um voltímetro comum.

Como as duas fontes de tensão são iguais, medir a fonte ajustável é o mesmo que medir através do circuito de teste, exceto que não há erro de “impacto” porque a fonte ajustável fornece qualquer corrente necessária para o voltímetro. Consequentemente, o circuito em teste permanece inalterado, permitindo a medição de sua verdadeira queda de tensão.

Examine o seguinte esquema para ver como o método do voltímetro potenciométrico é implementado:







O símbolo de círculo com a palavra “nulo” escrita dentro representa o detector de nulo.

Pode ser qualquer movimento de medidor arbitrariamente sensível ou indicador de tensão.

Seu único propósito neste circuito é indicar quando há zero tensão:quando a fonte de tensão ajustável (potenciômetro) é precisamente igual à queda de tensão no circuito em teste.

Quanto mais sensível for esse detector de nulo, mais precisamente a fonte ajustável pode ser ajustada para igualar a tensão em teste e mais precisamente essa tensão de teste pode ser medida.

Construa este circuito conforme mostrado na ilustração e teste sua operação medindo a queda de tensão em um dos resistores de alto valor no circuito de teste.

Pode ser mais fácil usar um multímetro regular como detector de nulo no início, até que você se familiarize com o processo de ajuste do potenciômetro para uma indicação de “nula” e, em seguida, leia o voltímetro conectado ao potenciômetro.

Se você estiver usando o detector de tensão baseado em fone de ouvido como seu medidor nulo, você precisará fazer e interromper o contato intermitentemente com o circuito em teste e ouvir sons de “clique”.

Faça isso prendendo firmemente uma das pontas de prova ao circuito de teste e momentaneamente tocando a outra ponta de prova no outro ponto do circuito de teste repetidamente, ouvindo os sons nos fones de ouvido indicando uma diferença de voltagem entre o circuito de teste e o potenciômetro.

Ajuste o potenciômetro até que nenhum som de clique possa ser ouvido nos fones de ouvido. Isso indica uma condição “nula” ou “equilibrada” e você pode ler a indicação do voltímetro para ver quanta tensão caiu no resistor do circuito de teste.

Infelizmente, o detector de nulos baseado em fone de ouvido não fornece nenhuma indicação se a tensão do potenciômetro é maior que , ou menos que a tensão do circuito de teste, então você terá que ouvir a diminuição “Clique” na intensidade enquanto gira o potenciômetro para determinar se você precisa ajustar a tensão para mais ou para menos.

Você pode descobrir que um potenciômetro de uma volta (“3/4 de volta”) é muito grosso de um dispositivo de ajuste para “anular” com precisão o circuito de medição.

Um potenciômetro multi-voltas pode ser usado em vez da unidade de uma única volta para maior precisão de ajuste, ou o circuito de “potenciômetro de precisão” descrito em um experimento anterior pode ser usado.

Antes do advento da tecnologia de voltímetro amplificado, o método potenciométrico era o único método para fazer medições de tensão altamente precisas.

Mesmo agora, os laboratórios de padrões elétricos usam essa técnica junto com a mais recente tecnologia de medidores para minimizar os erros de “impacto” do medidor e maximizar a precisão da medição.

Embora o método potenciométrico exija mais habilidade para usar do que simplesmente conectar um voltímetro digital moderno através de um componente, e seja considerado obsoleto para todas as aplicações de medição, exceto as mais precisas, ainda é um processo de aprendizagem valioso para o novo estudante de eletrônica, e um útil técnica para o aquarista que pode não ter instrumentação cara em seu laboratório doméstico.



SIMULAÇÃO DE COMPUTADOR

Esquema com números de nó SPICE:





Netlist (faça um arquivo de texto contendo o seguinte texto, literalmente):

 Voltímetro potenciométrico v1 1 0 dc 6 v2 3 0 r1 1 2 1meg r2 2 0 1meg rnull 2 ​​3 10k rmeter 3 0 50k .dc v2 0 6 0,5 .print dc v (2,0) v (2,3) v (3,0) .end 

Esta simulação SPICE mostra a tensão real em R ₂ do circuito de teste, a tensão do detector nulo e a tensão através da fonte de tensão ajustável, uma vez que essa fonte é ajustada de 0 volts a 6 volts em etapas de 0,5 volts.

Na saída desta simulação, você notará que a tensão em R ₂ é impactado significativamente quando o circuito de medição está desequilibrado, retornando à sua tensão real apenas quando há tensão praticamente zero no detector nulo.

Nesse ponto, é claro, a fonte de tensão ajustável está em um valor de 3.000 volts:precisamente igual à (não afetada) queda de tensão do circuito de teste.

Qual é a lição a ser aprendida com esta simulação? Que um voltímetro potenciométrico evita impactar o circuito de teste apenas quando está em condição de equilíbrio perfeito (“nulo”) com o circuito de teste!



PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de metrologia DC