Projeto do voltímetro

Como foi dito anteriormente, a maioria dos movimentos do medidor são dispositivos sensíveis. Alguns movimentos D'Arsonval têm classificações de corrente de deflexão em escala real tão pouco quanto 50 µA, com uma resistência de fio (interna) de menos de 1000 Ω. Isso resulta em um voltímetro com uma classificação de escala completa de apenas 50 milivolts (50 µA X 1000 Ω)! Para construir voltímetros com escalas práticas (voltagem mais alta) a partir de tais movimentos sensíveis, precisamos encontrar uma maneira de reduzir a quantidade medida de voltagem a um nível que o movimento possa suportar.

Medidor de movimento D’Arsonval

Vamos começar nossos problemas de exemplo com um movimento do medidor D'Arsonval com uma taxa de deflexão em escala real de 1 mA e uma resistência da bobina de 500 Ω:



Usando a Lei de Ohm (E =IR), podemos determinar quanta voltagem conduzirá este movimento do medidor diretamente à escala completa:

E =I R E =(1 mA) (500 Ω) E =0,5 volts

Se tudo o que quiséssemos fosse um medidor que pudesse medir 1/2 de volt, o movimento do medidor simples que temos aqui seria suficiente. Mas para medir níveis maiores de voltagem, algo mais é necessário. Para obter uma faixa de medidor de voltímetro eficaz superior a 1/2 volt, precisaremos projetar um circuito permitindo que apenas uma proporção precisa da tensão medida caia ao longo do movimento do medidor.

Isso estenderá o alcance do movimento do medidor para tensões mais altas. Da mesma forma, precisaremos rotular novamente a escala na face do medidor para indicar sua nova faixa de medição com este circuito de proporção conectado.

Mas como criamos o circuito de proporção necessário? Bem, se nossa intenção é permitir que este movimento do medidor meça uma tensão maior do que agora, o que precisamos é de um divisor de tensão circuito para proporcional a tensão total medida em uma fração menor entre os pontos de conexão do movimento do medidor. Saber que os circuitos divisores de tensão são construídos em séries resistências, vamos conectar um resistor em série com o movimento do medidor (usando a própria resistência interna do movimento como a segunda resistência no divisor):

Resistores multiplicadores

O resistor em série é chamado de resistor “multiplicador” porque ele multiplica a faixa de trabalho do movimento do medidor, uma vez que divide proporcionalmente a tensão medida ao longo dele. Determinar o valor de resistência do multiplicador necessário é uma tarefa fácil se você estiver familiarizado com a análise de circuito em série.

Por exemplo, vamos determinar o valor multiplicador necessário para fazer com que este movimento de 1 mA, 500 Ω seja lido exatamente em escala total com uma tensão aplicada de 10 volts. Para fazer isso, primeiro precisamos configurar uma tabela E / I / R para os dois componentes da série:



Sabendo que o movimento será em escala real com 1 mA de corrente passando por ele, e que queremos que isso aconteça com uma tensão aplicada (circuito em série total) de 10 volts, podemos preencher a tabela como tal:



Existem algumas maneiras de determinar o valor da resistência do multiplicador. Uma maneira é determinar a resistência total do circuito usando a Lei de Ohm na coluna "total" (R =E / I) e, em seguida, subtrair 500 Ω do movimento para chegar ao valor do multiplicador:



Outra maneira de calcular o mesmo valor de resistência seria determinar a queda de tensão ao longo do movimento na deflexão de escala total (E =IR) e, em seguida, subtrair essa queda de tensão do total para chegar à tensão no resistor multiplicador. Finalmente, a Lei de Ohm pode ser usada novamente para determinar a resistência (R =E / I) para o multiplicador:



Qualquer uma das formas fornece a mesma resposta (9,5 kΩ), e um método pode ser usado como verificação para o outro, para verificar a precisão do trabalho.



Com exatamente 10 volts aplicados entre os cabos de teste do medidor (de alguma bateria ou fonte de alimentação de precisão), haverá exatamente 1 mA de corrente através do movimento do medidor, conforme restrito pelo resistor "multiplicador" e a própria resistência interna do movimento. Exatamente 1/2 volt cairá na resistência da bobina de fio do movimento, e a agulha estará apontando precisamente em escala real. Tendo renomeado a escala para ler de 0 a 10 V (em vez de 0 a 1 mA), qualquer pessoa que visualizar a escala interpretará sua indicação como dez volts.

Observe que o usuário do medidor não precisa estar ciente de que o movimento em si está, na verdade, medindo apenas uma fração dos dez volts da fonte externa. Tudo o que importa para o usuário é que o circuito como um todo funcione para exibir com precisão a tensão total aplicada.

É assim que medidores elétricos práticos são projetados e usados:um movimento de medidor sensível é construído para operar com o mínimo de voltagem e corrente possível para a sensibilidade máxima, então ele é "enganado" por algum tipo de circuito divisor construído com resistores de precisão para que ele indica escala total quando uma tensão ou corrente muito maior é impressa no circuito como um todo. Examinamos o projeto de um voltímetro simples aqui. Os amperímetros seguem a mesma regra geral, exceto que resistores "shunt" conectados em paralelo são usados ​​para criar um divisor de corrente circuito em oposição ao divisor de tensão conectado em série Resistores “multiplicadores” usados ​​para projetos de voltímetro.

Geralmente, é útil ter vários intervalos estabelecidos para um medidor eletromecânico como este, permitindo-lhe ler uma ampla gama de tensões com um único mecanismo de movimento. Isso é realizado por meio do uso de uma chave multipolar e vários resistores multiplicadores, cada um dimensionado para uma faixa de tensão específica:



A chave de cinco posições faz contato com apenas um resistor por vez. Na posição inferior (totalmente no sentido horário), ele faz contato com nenhum resistor, fornecendo uma configuração “off”. Cada resistor é dimensionado para fornecer uma faixa de escala completa específica para o voltímetro, tudo com base na classificação específica do movimento do medidor (1 mA, 500 Ω). O resultado final é um voltímetro com quatro faixas diferentes de escala real de medição. Claro, para fazer este trabalho sensato, a escala do movimento do medidor deve ser equipada com rótulos apropriados para cada faixa.

Com esse design de medidor, cada valor de resistor é determinado pela mesma técnica, usando uma tensão total conhecida, taxa de deflexão de movimento em escala real e resistência de movimento. Para um voltímetro com faixas de 1 volt, 10 volts, 100 volts e 1000 volts, as resistências do multiplicador seriam as seguintes:







Observe os valores do resistor multiplicador usados ​​para essas faixas e como eles são estranhos. É altamente improvável que um resistor de precisão de 999,5 kΩ seja encontrado em um compartimento de peças, então os projetistas de voltímetro geralmente optam por uma variação do projeto acima, que usa valores de resistor mais comuns:







A cada faixa de tensão sucessivamente mais alta, mais resistores multiplicadores são colocados em serviço pela chave seletora, fazendo com que suas resistências em série sejam somadas ao total necessário. Por exemplo, com a chave seletora de faixa definida para a posição de 1000 volts, precisamos de um valor de resistência total do multiplicador de 999,5 kΩ. Com este design de medidor, é exatamente isso que obteremos:

R _Total =R4 + R3 + R2 + R1 R _Total =900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω R _Total =999,5 kΩ

A vantagem, claro, é que os valores do resistor multiplicador individual são mais comuns (900k, 90k, 9k) do que alguns dos valores ímpares no primeiro projeto (999,5k, 99,5k, 9,5k). Da perspectiva do usuário do medidor, no entanto, não haverá diferença perceptível na função.

REVER:

• Faixas estendidas de voltímetro são criadas para movimentos de medidor sensíveis, adicionando resistores “multiplicadores” em série ao circuito de movimento, fornecendo uma relação de divisão de tensão precisa.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de projeto do voltímetro
• Planilha do voltímetro