Напряжение на участке цепи можно измерить: С помощью какого прибора можно измерить напряжение на участке цепи?

Содержание

Электрическое напряжение

Цели:

  • образовательная: учащиеся знакомятся с физической величиной, называемой электрическим напряжением. Узнают обозначение напряжения, единицу измерения, формулу для расчета.
  • развивающая: учащиеся устанавливают, что напряжение на двух последовательно соединенных резисторах равно сумме напряжений на каждом резисторе, что электрическое поле совершает различную работу по перемещению единичного заряда в лампах, горящих по разному.
  • воспитательная: учащиеся убеждаются в необходимости знаний о напряжении.

Учебная задача: Узнать обозначение напряжения, формулу для его вычисления, единицы измерения, способ измерения. Выяснить, одинаковую ли работу совершает электрическое поле по перемещению единичного заряда в наших лампах.

Оборудование: мультимедийная приставка, компьютер, две лампы, 13 источников тока, 13 ключей, 13 вольтметров (лабораторных), 1 лабораторный амперметр, соединительные провода, 2-4 демонстрационных и технических вольтметров и амперметров, 24 резистора (сопротивлением 1 Ом, 2 Ом,), раздаточный материал.

Тип урока: Комбинированный (технология развивающего обучения)

Ход урока

I  Мотивационно-ориентировочный этап (9 мин)

1. Вхождение в контакт.
2. Создание ситуации успеха (Проверка домашнего задания) (7 мин)

а) Анализ выполнения лабораторной работы №3 “Сборка электрической цепи и измерение силы тока в ее различных участках

б) Выполнение индивидуального задания

Ученик № 5 выполняет самостоятельную работу по карточке №1 на демонстрационном столе учителя.

Соберите электрическую цепь, состоящую из источника тока, амперметра, ключа, двух ламп,

Дополнительное задание: определите цену деления амперметра и измерьте силу тока в цепи.

в) Проверка домашнего задания (беседа)

П: Что вы знаете о силе тока?

У:

Сила тока определяется электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника за единицу времени. Для вычисления силы тока необходимо заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за промежуток времени t, поделить на этот промежуток времени. I = q/t

За единицу силы тока принимают силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1м на расстоянии 1м в вакууме взаимодействуют с силой 2*10-7 Н. Эту единицу называют ампером, в честь французского физика и математика Андре Мари Ампера. Обозначение: 1А.

Для измерения силы тока используют прибор, который называют амперметром, Чтобы его отличить от других приборов, на шкале ставят букву А. Амперметр включают последовательно с тем прибором, силу тока в котором измеряют.

Клемма «+» амперметра соединяют с проводником, идущим от положительного полюса источника тока.

Устно проверяется выполнение заданий упр.15(1,2)

При включении в цепь амперметра так, как показано на рисунке 62, а, сила тока была 0,5 А. Каковы будут показания амперметра при включении его в ту же цепь так, как изображено на рисунке 62, б?

Как можно проверить правильность показаний амперметра с помощью другого амперметра, точность показаний которого проверена?

Проверка выполнения задания карточки №1.

3. Постановка учебной задачи (2 мин.)

П: Вспомните, какой исследовательский путь мы проделали с вами?

У: Подключив две лампы последовательно к источнику тока, убедились, что лампы загораются, но одна лампа горит ярче другой. Мы выдвинули гипотезу: разный ток течет через лампы. Однако, измерив силу тока в различных участках цепи, убедились, что сила тока во всех последовательно соединенных участках одинакова.

Мы так и не выяснили почему лампы горели по-разному.

П: Что такое электрический ток?

У: Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

П: Что заставляет заряженные частицы двигаться упорядоченно?

У: Свободные электрические заряды в проводнике могут перемещаться под действием электрического поля.

П: Т.е. электрическое поле совершает работу по перемещению заряженных частиц.

Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока. В процессе работы электрическая энергия превращается в другой вид энергии – механическую, внутреннюю и др. Физическая величина

напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле по перемещению заряда в 1 Кл.

П: Что же предстоит нам узнать?

У: Должны узнать

  • как обозначается напряжения;
  • как можно вычислить напряжение;
  • единицы измерения напряжения;
  • как можно измерить напряжение;
  • выяснить, одинаковую ли работу совершает электрическое поле по перемещению единичного заряда в наших лампах.

Учебная задача: Узнать обозначение напряжения, формулу для его вычисления, единицы измерения, способ измерения. Выяснить, одинаковую ли работу совершает электрическое поле по перемещению единичного заряда в наших лампах.

П: Какова же тема нашего урока?

У: Электрическое напряжение, измерение напряжения.

II Исполнительский этап (27 мин)

1. Групповая самостоятельная работа (3 мин)

Учащиеся выбирают задание, делятся на группы. (Учащиеся работают с текстом учебника А.В.Перышкин “Физика” 8 кл. п.39, 40, 41)

I группа выясняет, как обозначается напряжение, находит формулу для его вычисления.
II группа выясняет, что принято за единицу измерения напряжения.
III группа выясняет как измеряют напряжение.

2. Взаимообучение (7 мин)

От группы выступает 1 ученик.

Первая группа: Напряжение обозначается – U. Зная работу тока на данном участке цепи и весь электрический заряд, прошедший по этому участку, можно определить напряжение, т.е. работу тока при перемещении единичного электрического заряда: U = A/q.

Вторая группа: Единица измерения напряжения названа вольтом (В) в честь итальянского ученого Алессандро Вольта, создавшего первый гальванический элемент. За единицу напряжения принимают такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в 1 Кл по этому проводнику равна 1 Дж. 1В = 1Дж/Кл

Кроме вольта применяют дольные и кратные ему единицы: милливольт (мВ) и киловольт (кВ).

1мВ = 0,001В;
1кВ = 1000В.

Третья группа: Для измерения напряжения на полюсах источника тока или на каком-нибудь участке цепи применяют прибор, называемый вольтметром.

На приборе ставят букву V. На схемах вольтметр изображают кружком с буквой V внутри. Зажимы вольтметра присоединяют к тем точкам цепи, между которыми надо измерить напряжение. Такое включение называют параллельным, кроме того необходимо соблюдать полярность.

П: Выберите из всех приборов вольтметры.

Учащиеся выбирают демонстрационные, лабораторные вольтметры.

П: Почему так важно знать какое напряжение в сети, либо на данном участке?

У: Высокое напряжение опасно для жизни.

П: Осторожность нужно соблюдать и в работе с небольшими напряжениями. В зависимости от условий напряжение даже в несколько десятков вольт может оказаться опасным. Для работы в сыром помещении безопасным считают напряжение до 12 В, в сухом помещении – до 36 В.

Учащимся представляется таблица с напряжениями, встречающимися на практике (используется мультимедийная приставка).

П: Что же необходимо научиться делать?

У: Необходимо научиться измерять напряжение на различных участках цепи.

Учитель проводит инструктаж по технике безопасности.

3. Выполнение лабораторной работы (14 мин)

Учащиеся выполняют лабораторную работу №4 “Измерение напряжения на различных участках электрической цепи” по описанию учебника.

П: К какому выводу вы пришли?

У: Мы научились измерять электрическое напряжение на различных участках цепи. Напряжение на двух последовательно соединенных резисторах равно сумме напряжений на каждом резисторе. U = U1+ U2

П: Что же нам предстоит сделать, чтобы проверить одинаковую ли работу совершает электрическое поле по перемещению единичного заряда в наших лампах?

У: Необходимо измерить напряжение на первой и второй лампе.

П: Покажите на схеме как будет подключаться вольтметр. Укажите на схеме полярность клемм у вольтметра.

Учащиеся вычерчивают присоединение вольтметра для измерения напряжения на лампах. (Схема цепи уже имеется у учащихся в тетрадях с прошлого урока) Один ученик выполняет работу на доске.

Взаимопроверка.

4. Практическая работа учащихся проводится на демонстрационном столе (3 мин).

Ученик измеряет напряжение на лампах. Фиксирует результат измерений.

П: К какому выводу вы пришли?

У: Напряжение на наших лампах различно, значит электрическое поле совершает различную работу по перемещению одинакового заряда в этих лампах.

III. Рефлексивно-оценочный этап (4 мин)

У: Учебную задачу мы выполнили полностью. Узнали обозначение напряжения, формулу для его вычисления, единицы измерения, способ измерения. Научились измерять напряжение. Выяснили, что электрическое поле совершает различную работу по перемещению единичного заряда в наших лампах.

П: Почему важно было узнать новую физическую величину напряжение?

У: Высокое напряжение опасно для жизни. Осторожность нужно соблюдать и в работе с небольшими напряжениями. В зависимости от условий даже небольшое напряжение может оказаться опасным.

У: Осталось не ясным, почему работа электрического поля по перемещению единичного заряда в данных лампах различна.

П: На данный вопрос мы постараемся дать ответ на следующем уроке.

IV. Домашнее задание

§ 39, 40, 41. Упр. 16

Взаимооценка работы учащихся на уроке.
Каждый ученик получает оценку за выполнение лабораторной работы после проверки тетрадей учителем.

Прибор для измерения напряжения в электрической цепи

В век технических достижений электричество ценится на вес золота. Чтобы его измерить, нужен прибор для измерения напряжения. Но аппарат и его разновидности существенно отличаются по параметрам и принципу действия.

Приборы для измерения напряжения

В результате прямых и косвенных измерений становятся известны конкретные данные физической величины.

Прямые отображают результат на шкале напрямую. Определение косвенных производится с помощью вычислений нужных параметров. Последний способ значительно точнее. Измерения проводятся в электротехнических и радиотехнических цепях.

Вольтаж измеряют оборудованием

Напряжение измеряется от одной точки до другой и характеризируется силой переноса из конца цепи A в B. Отображается величина с помощью буквы V. Единица напряжения — Вольты. Для облегчения, показатель разделяется на кило-, милли- и микро- единицы. Измеритель может быть электромеханическим, электронным, цифровым или электронным.

Вольтметры

Именно этот прибор учат, измеряя напряжение на уроках физики. Действие измерителя основано на законе Ома. Измерение производится с помощью электромагнитного поля. Характеристики аппарата улучшаются при высоком внутреннем сопротивлении и широком диапазонном значений. Приборы, определяющие кило-, милли- и микро-единицы условно имеют название киловольтметров, милливольтметров и микровольтметров. Последние два диапазона имеют минимальную погрешность.

Знать вольтаж цепи необходимо

Вольтметры бывают 2 видов.

Электронный — высокочувствительный аппарат с большим сопротивлением. Позволяет определить широкие пределы значений. Отличается добавлением к основному механизму преобразователя. Такие приборы требуют ток в качестве источника питания. Известны аналоговые и цифровые вольтметры. Первые действуют, переводя входное переменное напряжение на постоянное, постепенно отклоняя стрелку. ИП также включает в себя шкалу. При течении тока в противоположном направлении, стрелка смещается влево, при обычном — вправо. Таким образом, следует учитывать положительное напряжение или отрицательное. Цифровые вольтметры сразу считывают показатель напряжения на входе и выводят данные на табло. Точность зависит от качества аналого-цифирного преобразователя, но оцифрованные вольтметры все же имеют меньшую погрешность, чем аналоговые.

Электронные модели широко распространены

Электромеханические отличаются тем, что им не нужен токовый источник для работы. После подключения к цепи вольтметра, прибор определяет входное значение, которое уменьшается с помощью специального внутреннего или внешнего резистора. Внутренние резисторы последовательно подсоединяются изнутри корпуса, внешние — с наружной стороны. Прибор компактный и стоит недорого, но может потреблять мощность из цепи. Диапазон измерения не сильно широкий, поэтому не всегда может быть получен точный результат.

Электромеханический не требует батареек

При выборе прибора имеет значение категория измерений. Предусмотрены вольтметры для постоянного и переменного тока, селективные, импульсные, фазочувствительные и универсальные приборы.

А именно:

  • Импульсный. Поможет справиться с перебоями в сети. Проверяет напряжение одиночного импульсного сигнала. Благодаря этому можно выяснить, на каком участке цепи появилась помеха, и устранить ее.
  • Фазочувствительный. Значение выводится посредством преобразования постоянного или минимально меняющегося напряжения. Табло выдает общий результат.
  • Селективный. Прибор узкополосный, избирательным путем дает понятие об амплитуде и частоте одной из частей, не отключая другую. Аппарат нужен, если требуется вычленить некоторые составляющие большого участка.
  • Универсальный. Сочетает в себе все виды вольтметров, позволяет определять электродвижущую силу на разных участках и при любых условиях.
  • Вольтметры для постоянного и переменного тока определяют соответствующие величины.
Универсальный аппарат более удобен

Переносными, стационарными и щитовыми могут быть приборы, в зависимости от возможности перемещения, размеров и конструкционных особенностей.

А именно:

  • Щитовые. Предназначены для нахождения в специальных шкафах. После приобретения, они устанавливаются и находятся в месте монтажа. Переносить можно, но редко и аккуратно.
  • Стационарные. Ввиду громоздкости перенести их будет трудно. Неудобства использования перекрываются высокими техническими характеристиками, точностью и большой шкалой измерений.
  • Переносные. Не требуют подключения к источнику энергии, доступны к свободному перемещению. Компактные, находятся в аккуратном корпусном чехле.
Есть стационарные модели

Потенциометр

Потенциометром может называться устройство-регулятор тока. Представляет собой 3-х выводной, открытый переменный резистор. В большинстве случаев имеет отводной контакт. Особое распространение получил при работе с аудиосистемами и в сфере автомобильной промышленности.

При работе один из выводов подключается к контакту, два других — отводные. Основа изготавливается из углеродных и керамических материалов.

Разделяются по принципу действия:

  • Линейные. Сопротивление измеряется пропорционально углу, который зафиксирован при повороте контакта. Делятся на одинарный (одноканальный), двойной (двухканальный) и многооборотный вариант.
  • Логарифмические. Потенциометр изменяет сопротивление сначала быстро, затем скорость уменьшается.
  • Экспотенциальные. Потенциометр изменяет сначала медленно, затем скорость увеличивается.
Иногда припаиваются к плате

Корпус может быть монтажным или стационарным. В первом случае устройство монтируется на плате, во втором — остается на корпусе. Оборотные делятся на однооборотные или многооборотные, а также сдвоенные. Если однооборотные совершают 1 оборот, многооборотные — более чем 5, то сдвоенные на каждом валу имеют 2 резисторных элемента. Чаще всего многооборотные делают от 5 до 15 оборотов.

Есть аналоговые модели

Мультиметр

Комбинированное устройство с доступным для нескольких приборов функционалом. Может измерять силу тока, напряжение и сопротивление цепи и ее частей. Может включать и большее количество измерителей.

К сведению. Функции вольтметра, амперметра и омметра исполняет любая модель.

Подходит для работы с переменным и постоянным током. Из-за хорошей эффективности многие предпочитают использовать именно его.

Аппарат спрятан в корпусный чехол, на верхней стороне имеет дисплей или шкалу измерений. Нижняя сторона оснащена панелью управления. Центральная часть панели управления отведена под кнопки переключения режимов и переключатель измерений. Питается с помощью батареек, преимущественно прямоугольных.

Есть цифровые модели

Бывают 2 видов:

  • Аналоговые. Со стрелочной шкалой в верхней части наружной панели. Некоторые модели измеряют Вольты и Амперы без, а Омы — с питанием. Во время измерения можно увидеть динамику.
  • Цифровые. Имеют ЖК-экран, на который выводятся показания. Просты в использовании, имеют понятный интерфейс.

В комплекте идут 2 щупа, красный и черный.

Аппарат может показать амплитуду сигнала

Осциллограф

Прибор, измеряющий электрические сигналы и их колебания, будет называться осциллографом. Важен при работе с электроникой. Показывает работу любого, даже минимального импульса. С помощью специального устройства, идущего в комплекте, может соединиться с сетью, сигналом или внешним источником.

Визуально выглядит, как телевизор, позволяющий осуществлять наблюдение в текущем режиме. Если сигнал подается на канал вертикально, отображается на табло полосой вверх. Имеет также модуляционный диапазон, работающий с лучами, лучевую трубку и блок питания. Может быть аналоговым и цифровым. Цифровые приборы имеют встроенную память и могут сохранять определенное количество предыдущих измерений.

Электрический импульс, измеряемый осциллографом, облегчает работу с автомобилем и активно используется в медицинских целях.

Осциллографы наиболее точны из всех остальных

Подразделяются на:

  • Специализированные. Предназначены для конкретного устройства.
  • Стробоскопические. Наблюдают за кратковременными импульсами, склонными к повторению.
  • Скоростные. Измеряют «быстрые» импульсы.
  • Запоминающиеся. Имеют небольшую память для сохранения сигнала.
  • Универсальные. Своего рода симбиоз — включает несколько различных видов осциллографов.
Самый простой вариант измерителя

Электрометр

Электрометром можно назвать прибор для измерения электрического потенциала и разностей его величин. Является усовершенствованной версией электроскопа. Электрический заряд определяется с помощью стержня — основания конструкции. К основанию подвешиваются 2 бумажки или 2 кусочка фольги, параллельно друг другу. Стержень надежно защищен металлическим корпусом и закрыт стеклянной пробкой. Присутствие заряда запускает реакцию «отталкивания». Сила реакции зависит от его величины. Реакция идет в обе стороны, поэтому притяжение индикаторов дает понять, что заряд отрицателен.

Как правильно эксплуатировать

Инструкция:

  1. Собрать информацию по технической неполадке.
  2. Проверить отсутствие повреждений на измеряемом субъекте.
  3. Подсоединить щупы в гнезда.
  4. Включить устройство и выбрать нужный режим. Уточняют, постоянное или переменное напряжение будет измеряться.
  5. Измерение производится параллельно сети.
  6. Считать результат на шкале или табло.
Подсоединение осуществляется параллельно

Единицы измерения

Величина измеряется в вольтах. Обозначается буквой V, русская В.

Правила безопасности

Стоит обратить внимание:

  • Обязательно обеспечение заземления.
  • Прибор и цепь не трогаются голыми руками.
  • При возникновении непредвиденных ситуаций, немедленно прекратить работу и убедиться, что измерение не несет последствий. Например, не создастся пожар.
  • Прибор подсоединяется параллельно к уже собранной цепи.
  • Рабочее место должно быть изолировано от посторонних.
  • Измеряющий должен иметь представление о технике безопасности, знать устройство прибора и принцип его действия.
  • Цепь должна быть правильно собрана.
  • По окончании работы устройство отключается и разбирается, укладывается на место хранения в соответствующих чехлах. Рабочий снимает средства защиты и тщательно обрабатывает руки.
Стоит работать в перчатках

Ответ на вопрос, как называется прибор для измерения электрического напряжения, очень прост, как и сама процедура проведения. Главное — действовать аккуратно и бережно относиться к оборудованию. В таком случае аппаратура прослужит века.

Закон Ома для участка цепи.

Закон Ома для участка цепи.

Цель: формирование знаний о взаимосвязи силы тока, напряжения и сопротивления на участке цепи.

Задачи:

Образовательная:

1) силы тока от напряжения на концах проводника, если при этом сопротивление проводника не меняется;

2) силы тока от сопротивления участка цепи, если при этом напряжение остается постоянным;

  • сделать вывод о взаимосвязи силы тока, напряжения и сопротивления;

  • Показать практическое применение закона Ома.

Развивающая:

  • развивать умения наблюдать, сопоставлять, сравнивать и обобщать результаты экспериментов;

  • продолжить формирование умений пользоваться теоретическими и экспериментальными методами физической науки для обоснования выводов по изучаемой теме и для решения задач.

Воспитательная:

  • развивать познавательный интерес к предмету;

  • воспитывать культуру речи и культуру работы в коллективе, тренировка рационального метода запоминания формул.

Тип урока: Комбинированный.

Оборудование: источник тока; амперметр; вольтметр; магазин сопротивлений; реостат; соединительные провода; датчик электрического напряжения ,датчик электрического тока амперметр .

Ход урока

I. Организация начала урока.

II. Актуализация знаний.

Любую электрическую цепь можно охарактеризовать силой тока, напряжением и сопротивлением. Каждая из этих величин имеет свою характеристику. Давайте вспомним, что мы изучили о каждой из этих величин.

(слайд 1)


Величины на слайде (1) закрыты номерами 1,2,3. Учащиеся I,II,III рядов поочередно выбирают номер, под которым находится величина, и дают ей полную характеристику по плану:

Структура знаний о физической величине. (слайд 2)

  1. Какое явление или свойство тел определяет (характеризует) данная величина.

  2. Определение величины .

  3. Формула (для производной величины – формула, выражающая связь данной величины с другими).

  4. Какая это величина – скалярная или векторная.

  5. Единицы измерения данной величины.

  6. Способы измерения величины.

Характеристики электрической цепи

Сила тока

Напряжение

Сопротивление

Электродвижущая сила

I

U

R

ε


какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.

какую работу совершает электрическое поле по перемещению единичного заряда.

величину, характеризующую способность проводника ограничивать силу тока.

какую работу совершают сторонние силы по перемещению единичного заряда в источнике.


отношением заряда, проходящего через поперечное сечение проводника ко времени, в течение которого этот заряд движется.

отношением работы поля по перемещению заряда из начальной точки в конечную к этому заряду.

отношением напряжения на участке цепи к силе тока.

отношением работы сторонних сил к переносимому электрическому заряду.



(ампер)

(вольт)

(ом)

(вольт)











T — — время

q — -заряд

A – работа электрического поля по перемещению заряда.

Сопротивление зависит от материала, из которого изготовлен проводник и его геометрических размеров.

lдлина проводника

Sплощадь поперечного сечения проводника

ρ – удельное сопротивление проводника

Характеризует зависимость электрической энергии в источнике от его внутреннего устройства.

(слайд 3)

III. Постановка цели.

Между величинами силой тока, напряжением и сопротивлением существует связь, которую впервые теоретически и экспериментально установил немецкий ученый Георг Ом.

Сегодня на уроке попытаемся повторить эксперименты Ома и установить закон, который носит его имя.

Тема урока: Закон Ома для участка цепи (слайд 3).

IV. Решение поставленной цели. Изучение нового материала.

(Виртуальная школа Кирилла и Мефодия, снятие вольт-амперной характеристики (интерактив))

Учебная проблема 1. (ОК)



(слайд 4) (слайд 5)

а) Соберем электрическую цепь, схема которой изображена на слайде 3.

б) Назовите основные элементы цепи. Какие измерительные приборы включены

в цепь на участке 1и 2? Почему?

в) Установим зависимость между силой тока и напряжением, оставляя сопротивление R1

постоянным.

Для этого с помощью реостата изменяем силу тока и фиксируем значения, которые

показывают амперметр и вольтметр соответственно. Полученные данные занесем

в таблицу 1.

г) Изобразите полученную зависимость графически. Сделайте вывод о зависимости силы

тока от напряжения на участке цепи?

Вывод 1: сила тока прямо пропорциональна напряжению на участке цепи.

Учебная проблема 2. (ОК)


(слайд 6) (слайд 7)

а) Установим зависимость между силой тока и сопротивлением участка цепи R1.

Для этого будем изменять сопротивление R1, поддерживая при помощи реостата R

напряжение на концах проводника постоянным.

Полученные данные занесем в таблицу 2.

б) Изобразите полученную зависимость графически. Сделайте вывод о зависимости силы

тока от сопротивления участка цепи?

Вывод 2: сила тока обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи.

Учитель: Объедините полученные выводы и сделайте общий вывод о зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением.

Ученик: сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно

пропорциональна сопротивлению.

Учитель: Зависимость силы тока от напряжения на концах участка цепи и сопротивления этого участка называется законом Ома, который установил его в 1827 году.

(слайд 8)


Ом Георг Симон
16 марта 1787 года — 6 июля 1854 года

Начало формы

Конец формы

История жизни
Замечательный немецкий физик Георг Симон Ом (1787-1854), чье имя носит знаменитый закон электротехники и единица электрического сопротивления, родился 16марта 1789 г. в Эрлангене (федеральная земля Бавария). Его отец был известным в городе мастером-механиком. Мальчик Ом помогал отцу в мастерской и многому у него научился. Быть бы ему механиком и продолжать дело отца, но Ом был честолюбив, хотел стать ученым и работать в лучших германских университетах. Он поступил учиться в университет в Эрлангене и закончил его в 1813 г. Его первая работа — учитель физики и математики реальной школы в Бамберге.
После нескольких лет работы в школе мечта Ома осуществилась. В 1817 г. он стал профессором математики Иезуитского колледжа в Кельне. Здесь Ом занялся исследованиями в области электричества, используя батарею Вольта. Ом составлял электрические цепи из проводников различной толщины, из различных материалов, различной длины (причем проволоку он протягивал сам, используя собственную технологию), пытаясь понять законы этих цепей.Сложность его работы можно понять, вспомнив, что никаких измерительных приборов еще не было и о силе тока в цепи можно было судить по различным косвенным эффектам. Ому очень пригодились те навыки работы, которые он приобрел, работая в мастерской с отцом. А еще ему очень пригодилось упорство, ибо эксперименты шли в течение 9 лет.
Для характеристики проводников Ом в1820 г. ввел понятие «сопротивление», ему казалось, что проводник сопротивляется току. По-английски и по-французски сопротивление называется resistance, поэтому современный схемный элемент называется резистором, а первая буква R с легкой руки Ома до сих пор используется как обозначение резистора в схемах. В 1827 г. вышел основополагающий труд Ома «Математическое исследование гальванических цепей», в котором и был сформулирован знаменитый закон Ома.
Казалось бы, столь простая математическая формула, которую сейчас изучают в школах, должна заслужить всеобщее признание, но получилось наоборот. Коллеги приняли в штыки выводы Ома, начались насмешки над ним. Обиженный Ом уволился из колледжа в Кельне. В последующие годы Ом жил в бедности, работая частным учителем в Берлине. Только в 1833 г. ему удалось устроиться на работу в Политехническую школу в Нюрнберге.
Тем временем за границей признали важность работ Ома. В 1841 г. Британское Королевское общество наградило его золотой медалью, а в 1842 г. избрало Ома своим действительным членом. Наконец, в1849 г. Ом стал профессором Мюнхенского университета. Всего 5 лет он имел возможность полноценно работать и преподавать. 7 июля 1854 г. Георг Симон Ом скончался.
В 1893 г. Международный электротехнический конгресс принял решение ввести единицу электрического сопротивления и назвал ее именем Георга Симона Ома, подчеркнув тем самым важность его открытия для электротехники.

Опорный конспект

Закон Ома читается так: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

где I – сила тока в цепи;

U – напряжение на этом участке;

R – сопротивление участка.

Этот закон выражает зависимость между тремя величинами, зная две из них всегда можно найти третью неизвестную величину.

Выразите из формулы закона Ома напряжение и сопротивление.

(слайд 9)


Учитель: запишите эти формулы и запомните их. Мы будем ими пользоваться при решении задач.

А теперь скажите, верно ли утверждение, что сопротивление проводника прямо пропорционально напряжению на этом проводнике и обратно пропорционально силе тока в нем?

Ученик: сопротивление проводника можно вычислить по формуле , однако, оно постоянно для данного проводника и не зависит ни от напряжения, ни от силы тока в нем.

Учитель: верно, сопротивление – это физическая величина, характеризующая свойства данного проводника, оно не зависит ни от напряжения, ни от силы тока в проводнике. Изменение напряжения на участке цепи влечет за собой изменение силы тока, но отношение U/I остается для данного проводника постоянным.

V. Выводы:

  1. Cила тока прямо пропорциональна напряжению на участке цепи.

  2. Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи.

  3. Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

  4. Сопротивление – это физическая величина, характеризующая способность проводника ограничивать силу тока, оно не зависит ни от напряжения, ни от силы тока в проводнике.

VI. Закрепление материала.

Вычислите неизвестную величину, если известны две другие.

(слайд 10)


Измерение напряжений. Каким должно быть сопротивление вольтметра? | Основы физики сжато и понятно

Для школьников

Сопоставим электростатику и электродинамику.

Электростатика рассматривает условия равновесия зарядов в проводнике. Чтобы заряды в проводнике находились в равновесии (не двигались) надо, чтобы разность потенциалов любых точек заряженного проводника была равна нулю (чтобы электрическое напряжение между точками было равно нулю).

Электродинамика рассматривает условия, при которых свободные электроны в проводнике придут в направленное движение, то есть рассматривает условия существования электрического тока. Чтобы ток в проводнике существовал, необходима разность потенциалов (или напряжение) между точками проводника.

На рисунке показан проводник в виде провода или проволоки:

Если между его концами создать разность потенциалов (напряжение), то электроны станут двигаться против поля, и в проводе возникнет электрический ток (см. Занятие 56).

Пусть теперь участок цепи содержит два (или несколько) последовательно соединённых проводом сопротивления. Сопротивлением соединительных проводов при решении задач обычно пренебрегают.

Напряжение на всём участке складывается из напряжений на каждом сопротивлении:

Напряжение на первом сопротивлении равно

Напряжение на втором сопротивлении равно

Видим, что распределение напряжения между отдельными последовательно соединёнными сопротивлениями зависит только от соотношения этих сопротивлений:

Напряжение на участке цепи измеряется вольтметром, который подключается параллельно к каждому участку.

Вольтметр — это гальванометр, шкала которого проградуирована в вольтах (см. Занятие 56).

Возникает вопрос: почему один и тот же прибор (гальванометр) может измерять и ток, и напряжение? Потому что эти величины пропорциональны друг другу. Так как ток проходит через нить гальванометра, а она имеет сопротивление, то каждому значению тока соответствует определённое значение напряжения между зажимами гальванометра. Поэтому против каждого положения стрелки гальванометра можно написать или силу тока, или напряжение, то есть проградуировать гальванометр как амперметр или как вольтметр.

Так как вольтметр подключается к сопротивлению параллельно, то часть тока, текущего по цепи, ответвляется на вольтметр и искажает показания вольтметра.

Каким должно быть сопротивление вольтметра, чтобы это искажение было небольшим?

Присоединим, например, вольтметр параллельно лампочке, чтобы измерить напряжение на ней:

Здесь

напряжение, даваемое источником тока, а

зажимы вольтметра, к которым подсоединены вводы лампочки.

Так как соединение вольтметра и лампочки параллельное, то их общее сопротивление равно

Видим, чем больше сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением лампочки

тем меньше отличается их общее сопротивление от сопротивления лампочки, и тем меньше искажение измерения внесённое вольтметром.

Вывод: вольтметр должен иметь большое сопротивление.

Подумайте над решением следующих задач:

Вольтметр с внутренним сопротивлением 400 Ом подключенный к участку цепи с сопротивлением 20 Ом, показывает напряжение 100 В. Найти погрешность в измерениях вольтметра, если считать что сила тока до разветвления осталась прежней.

Ответ: погрешность составила 5 В.

Найдите сопротивление участка АВ цепи, составленного четырьмя одинаковыми сопротивлениями:

К.В. Рулёва

Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.

Предыдущая запись: Каким должно быть сопротивление амперметра?.

Следующая запись: Решение задач, условия которых даны в предыдущей статье.

Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.

Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.

Вопрос Видео: Сравнение напряжения на вольтметре и гальванометре

Стенограмма видео

Гальванометр имеет сопротивление 12 мОм. Умножающий резистор включен последовательно с гальванометром, чтобы преобразовать его в вольтметр. Сопротивление умножителя 1,1 кОм. Какой процент от наибольшего напряжения, которое может измерить вольтметр, составляет напряжение на гальванометре? Ответ до четырех знаков после запятой.

В этом сценарии у нас есть гальванометр, соединенный последовательно с резистором.Гальванометр имеет собственное сопротивление; мы назовем это 𝑅 sub G. А резистор, который мы включили последовательно с гальванометром, называется множительным резистором. Поэтому мы будем называть это 𝑅 sub m. Объединив множительный резистор с гальванометром, подобным этому, мы создали вольтметр. Мы делаем это, беря ток, измеренный гальванометром, назовем его 𝐼 sub G, и умножая этот ток на общее сопротивление цепи, которое равно 𝑅 sub G плюс 𝑅 sub m.

Закон Ома говорит нам, что если мы возьмем ток в цепи 𝐼 и умножим его на сопротивление цепи 𝑅, это произведение будет равно напряжению в цепи 𝑉.Тогда косвенно, измеряя ток в нашей цепи и зная общее сопротивление цепи, мы измеряем напряжение в нашей цепи. Наш вопрос гласит, какой процент от наибольшего напряжения, которое может измерить вольтметр, составляет напряжение на гальванометре? Теперь это измеренное напряжение здесь является полным напряжением в нашей цепи. Мы хотим сравнить это с напряжением или разностью потенциалов только на гальванометре в цепи. Здесь мы снова можем применить закон Ома. Если мы возьмем ток в гальванометре и умножим его на сопротивление только самого гальванометра, то по закону Ома это произведение будет равно напряжению на гальванометре.Мы назовем его 𝑉 sub G.

Итак, когда наш вопрос говорит: «Какой процент от наибольшего напряжения, которое может измерить вольтметр, составляет напряжение на гальванометре?», нас просят найти 𝑉 sub G, деленное на 𝑉 умножить на 100 процентов. Итак, наш ответ — процент.

Давайте быстро проверим правильность этого уравнения. Предположим, что 𝑉 составляет 100 вольт, а 𝑉 sub G составляет один вольт. В этом случае эта дробь даст нам один вольт, деленный на 100 вольт, или одну сотую вольта.А затем умножив это на 100 процентов, мы получим один процент. И действительно, один вольт — это один процент от 100 вольт. Чтобы помочь нам на пути к решению, отметим, что общее напряжение в нашей схеме равно сумме напряжения на гальванометре и напряжении на резисторе умножителя. У нас уже есть выражение для напряжения на гальванометре. Мы можем создать аналогичный для напряжения на резисторе умножителя. Мы назовем это 𝑉 sub m. Он равен току в цепи, который составляет 𝐼 sub G, току, измеренному гальванометром, просто умноженному на сопротивление резистора умножителя.

Рассматривая эту пару уравнений, мы видим, что 𝐼 sub G появляется в обоих из них. Это означает, что мы могли бы, например, разделить обе части второго уравнения на сопротивление множительного резистора 𝑅 sub m, что отменяет этот множитель слева, что дает нам выражение для 𝐼 sub G, которое мы могли бы затем подставить в для 𝐼 sub G в другом уравнении, так что теперь у нас есть выражение для 𝑉 sub G, разность потенциалов на гальванометре через разность потенциалов на множительном резисторе, а также сопротивления нашего гальванометра и множительного резистора .

На этом этапе давайте вспомним, что это выражение, которое мы хотим найти, и что 𝑉, разность потенциалов во всей нашей цепи, равна разности потенциалов на нашем гальванометре плюс разность потенциалов на резисторе умножителя. Увидев это, мы теперь понимаем, что у нас есть выражение в терминах 𝑉 sub m для напряжения на гальванометре 𝑉 sub G. Тогда мы можем взять всю левую часть этого уравнения и подставить ее вместо 𝑉 sub G.Это дает нам этот большой результат.

Обратите внимание, однако, что напряжение на резисторе умножителя 𝑉 sub m может быть вынесено из знаменателя, а это означает, что, поскольку мы и умножаем, и делим на 𝑉 sub m, мы можем эффективно сократить его. Это оставляет нам выражение полностью в терминах сопротивлений наших двух компонентов схемы. Если мы умножим и числитель, и знаменатель этой дроби на 𝑅 sub m, сопротивление нашего множительного резистора, то 𝑅 sub m уменьшится из нашего числителя.И у нас осталось это сильно упрощенное выражение. Математически это равно выражению, которое у нас было изначально. Мы только что переставили его так, чтобы он был записан в терминах значений, которые мы знаем. Согласно нашей постановке задачи, гальванометр имеет сопротивление 12 мОм, а это 𝑅 к югу от G. А сопротивление множителя дано как 1,1 кОм. Это 𝑅 sub m.

Относительно этих префиксов милли- и кило- мы знаем, что милли- указывает 10 на отрицательные три или одну тысячную единицы, а кило- указывает 10 на положительные три или 1000 из них.Тогда 12 мОм, если мы разделим 12 на 1000, даст нам 0,012 Ом. А 1,1 кОм, если умножить на 1000, даст нам 1100 Ом. Когда мы вводим это выражение в наш калькулятор и округляем ответ до четырех знаков после запятой, мы получаем результат 0,0011 процента. Это напряжение на гальванометре по сравнению с максимальным напряжением, измеряемым вольтметром, в процентах. Мы видим, что добавление этого множительного резистора в нашу схему значительно увеличило максимальное измеряемое напряжение с помощью нашего вольтметра.И действительно, чем больше сопротивление умножающего резистора, тем больше расширяется этот диапазон.

Что такое делитель напряжения: Пример

Понизьте напряжение сигнала, чтобы его можно было измерить с меньшим входным диапазоном
Опубликовано 17 апреля 2019 г.

Чтобы измерить сигнал, который изменяется в диапазоне, превышающем входной диапазон аналогового или цифрового входа измерительного устройства, делитель напряжения может понизить напряжение входного сигнала до уровня, который может измерить аналоговый или цифровой вход.

Делитель напряжения использует закон Ома, который гласит:

НАПРЯЖЕНИЕ = ТОК * СОПРОТИВЛЕНИЕ

И закон напряжения Киркоффа, который гласит,

Сумма падений напряжения в цепи будет равна падению напряжения во всей цепи.

Любое изменение падения напряжения для цепи в целом будет иметь пропорциональное изменение для всех падений напряжения в цепи.

Делитель напряжения использует тот факт, что напряжение на одном из резисторов в цепи пропорционально напряжению на общем сопротивлении в цепи.

Хитрость использования делителя напряжения заключается в выборе двух резисторов с правильным соотношением относительно полной шкалы аналогового или цифрового входа и максимального напряжения сигнала. Явление пропорционального падения напряжения часто называют затуханием. Формула затухания:

А = R1 + R2/ R2

Переменная A представляет собой пропорциональную разницу между максимальным напряжением сигнала и полной шкалой аналогового входа.

Простой делитель напряжения

Простой делитель напряжения

Если сигнал изменяется в пределах 0–20 В пост. тока, и вы хотите измерить его с помощью модуля сбора данных с аналоговым входом с полным диапазоном шкалы 0–10 В пост. тока, затухание составляет 2:1 или всего 2.

Как только вы определили затухание A, вы можете рассчитать резистор R1. На данный момент выберите значение для R2 (обычно 10K) и рассчитайте для R1.

R1 = (А — 1) * R2 Р1 = (2 — 1) * 10000 R1 = 10000 Ом

Следовательно, резисторы R1 и R2 номиналом 10 кОм. Информацию о подключении см. на приведенной ниже схеме подключения.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ: Резисторы R1 и R2 будут рассеивать всю мощность в цепи делителя в соответствии с уравнением Ток = Напряжение / Сопротивление.Чем выше значение сопротивления (R1+R2), тем меньше мощность рассеивается схемой делителя.

Информация о продукте Техническое обучение

Введение в мосты Уитстона | Блоги

Марк Харрис

|&nbsp Создано: 15 сентября 2020 г. &nbsp|&nbsp Обновлено: 25 сентября 2020 г.

Если вам нужно точно измерить сопротивление, мост Уитстона — это простая схема, позволяющая сделать это путем измерения напряжения. Несмотря на простоту моста Уитстона, его эффективное использование может оказаться сложной задачей. В этой статье мы рассмотрим мосты Уитстона, как они работают и как мы можем эффективно использовать их с современной электроникой.

Во многих типах датчиков внутри используется мост Уитстона, поскольку сопротивление, измеренное в цепи, может быть связано с каким-либо другим явлением, вызывающим изменение сопротивления датчика. Вы найдете мосты Уитстона во всех типах устройств, основанных на сжатии и растяжении, таких как датчики давления воздуха и жидкости, тензодатчики и многое другое.Хотя в некоторых устройствах есть интегральная схема, обеспечивающая усиление мельчайших изменений напряжения, также часто используется прямой доступ к мосту, например, в тензодатчике/тензодатчике.

Мосты Уитстона — это одна из тех схем, с которыми вы, возможно, не сталкивались раньше, но которые, вероятно, есть внутри какого-то устройства или датчика, который вы используете. Например, практически во всех цифровых весах используется тензодатчик на основе моста Уитстона. Простота и эффективность моста Уитстона делают его невероятно мощной схемой, даже если она имеет относительно узкое применение.

Примечание. В этой статье есть немного математики, чтобы помочь вам понять, как определить неизвестное сопротивление, но это очень просто! Это может выглядеть как набор формул, но не отключайтесь, так как это одна и та же формула, разбитая по-разному в надежде облегчить ее объяснение.

Что такое мост Уитстона?

Мост Уитстона использует две сбалансированные ветви в мостовой схеме (т. е. два делителя напряжения), чтобы обеспечить связь между напряжением на мостовой схеме и некоторым неизвестным сопротивлением одного резистора в мосте Уитстона.Мост Уитстона простейшего типа уравновешивает две ветви мостовой схемы, одна из которых включает неизвестный компонент. Другими словами, если вы знаете значения трех резисторов, вы можете рассчитать сопротивление неизвестного четвертого резистора, просто измерив напряжение на мосту. Эта схема обеспечивает изменение напряжения по мере изменения сопротивления, позволяя микроконтроллеру или другому устройству измерять сопротивление неизвестного элемента, считывая напряжение через АЦП.

Типичные области применения моста Уитстона в современных устройствах, в первую очередь, включают тензодатчики, тензодатчики, датчики давления, датчики относительной влажности, термисторы и датчики термометров сопротивления (RTD). Мост Уитстона способен измерять минимальные изменения сопротивления до уровней миллиОм, если используемый АЦП имеет достаточное разрешение (высокая разрядность). Обратите внимание, что помимо моста Уитстона существует множество топологий моста. Другие мостовые схемы могут использоваться для измерения емкости, индуктивности и импеданса; однако мы не будем рассматривать их в этой статье.

Измерение сопротивления с помощью моста Уитстона

Принцип работы моста заключается в использовании четырех резисторов, обычно представленных в форме ромба. В Altium Designer® нам нужно представить это в виде коробки, как показано выше. Здесь у нас есть три известных сопротивления и четвертый резистор с неизвестным значением. Когда мы подаем напряжение на верхнюю и нижнюю клеммы моста, как показано выше, мост создает два параллельных делителя напряжения. Если напряжение измеряется в центре моста, его можно преобразовать в сопротивление, используя формулы, которые я покажу здесь. Эти формулы достаточно просты, чтобы их можно было реализовать в небольшом микроконтроллере.

Для начала, глядя на приведенную выше схему, вы должны увидеть, что напряжение между V0 и V1 будет равно 0 В, когда четыре резистора удовлетворяют следующему соотношению.


Здесь, Р? является неизвестным резистором, а остальные три резистора имеют известное значение.Здесь мы можем решить приведенную выше формулу для R? для этого конкретного случая, когда напряжение между V0 и V1 равно 0 В.


Это условие можно использовать для калибровки моста Уитстона с помощью варистора или потенциометра, но оно не помогает нам определить неизвестный резистор в других случаях.

Чтобы определить значение неизвестного резистора, давайте рассмотрим схему, показанную выше, немного дальше. Напряжение на R2, измеренное на V0, будет:


В приведенном выше мосту знайте, что он будет состоять из резисторов 10 кОм, поэтому V0 будет вдвое меньше входного напряжения 5 В:


Другими словами, V0 всегда должно быть 2. 5 В, если мы используем качественные резисторы. Это будет иметь место независимо от того, что произойдет с неизвестным резистором. Теперь делитель напряжения с портом V1 имеет неизвестный резистор, поэтому у нас есть аналогичное уравнение для напряжения на резисторе R? (измерено на порту V1):


Поскольку мы измеряем разницу между напряжениями на двух портах, мы можем написать V = V0 — V1 и подставить приведенные выше уравнения в это выражение. Это дает нам следующее:


Обратите внимание, что вы можете видеть, что V будет равно 0, если неизвестный резистор R? равно R3*R2/R1, т.е.е., если мост уравновешен.

Когда V0 и V1 подключены к дифференциальному АЦП, мы можем измерить положительную и отрицательную разность напряжений с помощью микроконтроллера или другого устройства. Дифференциальное напряжение вызвано тем, что неизвестный резистор не равен другому резистору — мост не сбалансирован. Следует отметить, что в практических приложениях вам, вероятно, потребуется усилить сигнал, прежде чем подключать его к дифференциальному усилителю.

С помощью немного алгебры и измерения этого перепада напряжения V мы можем решить приведенное выше уравнение для R? и рассчитаем номинал неизвестного резистора:


Помните, что V — это разность между V0/V1, а VS — это напряжение питания, подаваемое на мост Уитстона.В нашем примере при R1 = R2 = R3 = 10 кОм мы можем вычислить неизвестное сопротивление R? если бы мы измерили разницу в 1 В на мосту. В этом случае неизвестное сопротивление будет:

Вы можете убедиться в этом, рассчитав выходное напряжение обоих делителей по отдельности, один обеспечивает 2,5 В (известный), а другой обеспечивает 1,5 В. Если вам нужен онлайн-калькулятор для проверки работоспособности, мне нравится тот, который основан на законе Ома. Калькулятор. Как человек, страдающий дислексией, даже простые формулы могут сбить меня с толку, поэтому я обычно полагаюсь на онлайн-калькуляторы в качестве проверки здравомыслия — не расстраивайтесь, если вам тоже нужен онлайн-калькулятор!

Обычно вы обнаружите, что применение моста Уитстона в реальном мире дает гораздо менее существенные изменения сопротивления. Тем не менее, вы захотите использовать его с усилителем или АЦП с программируемым усилителем усиления. Например, с тензодатчиком я нередко использую усиление в 128 и более раз.

Использование моста Уитстона с усилителем

Хотя могут быть приложения, в которых вы можете использовать мост Уитстона напрямую, реальные приложения для моста Уитстона обычно приводят к перепаду в микровольтах или милливольтах в лучшем случае. В качестве примера в моей статье в блоге Octopart, Чтение напряжения слабого сигнала , я ссылаюсь на тензодатчик, в котором используется довольно типичный тензометрический мост Уитстона.Тензодатчик на 100 кг обеспечивает изменение напряжения только на 50 мкВ на килограмм. Это не очень удобно для прямого подключения к микроконтроллеру или другой логике. Итак, как вы его используете?

Дифференциальный усилитель

Самый простой способ сделать изменение напряжения более полезным — использовать дифференциальный усилитель общего назначения, не требующий специализированного АЦП!

Используя конфигурацию дифференциального усилителя, мы можем усилить разницу между двумя делителями напряжения моста Уитстона, которые затем могут быть поданы на АЦП микроконтроллера или другое устройство. Мост Уитстона преобразует изменение сопротивления в изменение напряжения, а усилитель делает изменение напряжения полезным. Это весьма полезно при работе с датчиками, которые демонстрируют очень небольшие изменения сопротивления, так как теперь можно легко считывать разницу напряжений.

В качестве альтернативы, вы можете использовать инструментальный усилитель вместо дифференциального усилителя общего назначения для большей точности.

Высокоимпедансный усилитель

Для большей точности мы можем сначала буферизовать выходные данные моста Уитстона.Благодаря высокому входному сопротивлению повышается стабильность и точность схемы. Вы можете реализовать это с помощью буферных усилителей (единичное усиление) или просто использовать в качестве буфера другой операционный усилитель без усиления. Используя пакет с четырьмя усилителями, вы можете буферизовать, а затем усиливать с помощью одного пакета IC.

Инструментальный усилитель

На этом этапе мы могли бы продвинуть эту схему еще дальше, добавив несколько дополнительных резисторов для построения инструментального усилителя. Вместо этого мы возьмем более точный, компактный и точный вариант и простую конструкцию с использованием интегральной схемы инструментального усилителя. Инструментальный усилитель позволит нам очень точно усилить сигнал, не беспокоясь об использовании резисторов 0,1% или лучше для операционных усилителей или настройке каждой схемы, которую мы создаем, для точности. Производитель ИС уже сделал это на заводе. Хотя инструментальный усилитель стоит дороже, чем одиночный операционный усилитель общего назначения, он обеспечивает экономию средств, поскольку является доступным решением ИС, не требующим высокоточных внешних компонентов для правильной работы.Экономию пространства и сокращение строки спецификации (и, следовательно, запасов и питателей на линии комплектования и размещения) также нельзя игнорировать.

Инструментальный усилитель позволит нам точно усиливать сигналы между двумя входами, а также иметь отличное подавление синфазного сигнала. Таким образом, любые электрические помехи, обнаруженные на кабелях или дорожках нашего моста Уитстона, будут игнорироваться, поскольку они должны быть почти идентичными для обеих наших сетей. Резистор настройки усиления отделен от наших входов, его легко рассчитать и легко развести.Резистор усиления также можно настроить с помощью цифрового потенциометра, или некоторые инструментальные усилители имеют встроенные цифровые потенциометры, которые можно настроить по обычным протоколам, таким как I2C или SPI.

В качестве дополнительного бонуса многие инструментальные усилители имеют эталонный контакт, который позволяет подавать на сигнал смещение постоянного тока, что еще больше упрощает считывание выходного сигнала моста Уитстона с устройства с однополярным питанием, такого как микроконтроллер.

Функцию усиления усилителя вы найдете в даташите, например, в техпаспорте Texas Instruments INA821 находим функцию:


Используя это уравнение, мы можем легко рассчитать правильное значение Rg, чтобы получить коэффициент усиления, который мы хотим иметь для нашего усилителя.Если бы мы хотели получить усиление 100, мы могли бы упростить и изменить уравнение до:

.


Следовательно, резистор 499 Ом для РГ даст нам почти ровно 100 коэффициент усиления.

Если вам сложно переставлять формулы или алгебраические уравнения, как всегда, есть отличный онлайн-калькулятор — в этом случае попробуйте тот, что на SymbolAB. Чтобы рассчитать усиление 100, как я сделал выше, вы можете ввести что-то вроде 100 = 1+(49400/x), и это решит x за вас.

Это даст нам схему (без развязывающих колпачков), которая выглядит так, как показано выше, — намного проще, чем другие схемы, которые мы рассматривали, верно?

Настройка усиления

Вам может быть интересно, какое усиление вам нужно и какое значение вы должны установить на эталонном выводе на инструментальном усилителе.У Analog Devices есть удобный онлайн-инструмент под названием Diamond Plot. Этот инструмент позволяет вам выбирать параметры, такие как усиление/напряжение питания и Vref, чтобы вы могли максимизировать рабочий диапазон инструментальных усилителей и настроить инструментальный усилитель на АЦП или другое приложение. Используя такой инструмент, вы можете гарантировать, что вы создадите максимально возможный динамический диапазон, чтобы получить сигнал с самым высоким разрешением, которое вы можете. Инструмент также будет генерировать удобные предупреждения, если у вас есть неправильные параметры. Различные факторы могут привести к внутреннему насыщению сигнала, что может уменьшить максимальный динамический диапазон вашего сигнала или привести к отсечению и другим проблемам.

Например:

  • Сигнал входного напряжения слишком высок для предустановленного усиления
  • Слишком высокое опорное напряжение для генерируемого сигнала выходного напряжения
  • Напряжение питания слишком низкое

Этот инструмент может помочь выбрать правильные параметры инструментального усилителя для вашего приложения.


Предположим, мы изменили параметры первоначально отображаемого примера. В этом случае вы можете увидеть, что он сообщит нам, что мы сделали что-то не так, и даст предложения о том, что нужно изменить, чтобы привести сигнал в соответствие с возможностями устройства.

Этот инструмент разработан специально для компонентов Analog Devices. Тем не менее, существует широкий спектр деталей Analog Devices, доступных для использования с ним. Если вы хотите использовать устройство от конкурента, вы, вероятно, можете найти часть AD с аналогичными параметрами и использовать ее в инструменте.

Примеры инструментальных усилителей

Если вы хотите использовать инструментальный усилитель с мостом из Уитстоуна, рассмотрите некоторые из этих недорогих вариантов от Analog Devices, Texas Instruments и Maxim Integrated.

Параметр

ИНА332

МАКС4208

АД8293Г160

Тип

Железнодорожный

Железнодорожный

Железнодорожный

Диапазон усиления

1000 В/В

100 В/В
1000 В/В ограниченная скорость нарастания (1000+ мкс)

160 В/В

Ошибка усиления

+/- 2 ppm/по Цельсию

+/- 25 частей на миллион/по Цельсию

+/- 5 частей на миллион/градус Цельсия

Скорость нарастания

5 В/мкс

0. 08 В/нас

~1 В/мс (фильтр ограничен)

-3 дБ Полоса пропускания

2 МГц

750 кГц

500 Гц

Напряжение смещения

2 мВ

3 мкВ

9 мкВ

Напряжение смещения

2 мВ

3 мкВ

9 мкВ

Входное смещение

0.5 пА

1 пА

400 пА

Блок питания

415 мкА

1,4 мА

1 мА

Выходной ток

48 мА

25 мА

35 мА

ОКМРР

73 дБ

96 дБ

140 дБ

Напряжение питания

2.5–5,5 Одинарный
+–1,25–2,75 Двойной

2,85–5,5 Одинарный
+–1,425–2,25 Двойной

1,8–5,5 Одинарный
+–0,9–2,75 Двойной

Производитель

Техасские инструменты

Максим Интегрированный

Аналоговые устройства


Эти инструментальные усилители являются прекрасными примерами недорогих вариантов, которые можно использовать в ваших проектах.Каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны, а широкий спектр возможностей представлен только этими тремя компонентами в зависимости от ваших приложений.

В заключение

Мост Уитстона — это классическая трасса с оригинальным дизайном и концепцией, насчитывающая почти двести лет. Не так много стандартных схем, которые мы используем в современной электронике, выдержали испытание временем, а также мост Уитстона. Простота схемы в сочетании с ее полезностью гарантирует, что мы продолжим использовать их в будущем.

В этой статье мы рассмотрели только основы. Существуют способы улучшить линейность мостов Уитстона. В зависимости от типа датчика и того, как вы используете выходной сигнал моста, мы можем повысить точность и надежность показаний. Мы рассмотрим эти аспекты более подробно в статьях, посвященных датчикам, в будущем. Существует также широкий спектр других мостовых схем, которые, хотя и не так популярны, как мост Уитстона, все же находят применение для измерения емкости и индуктивности среди других величин.

Если вы ищете простой способ быстро улучшить существующую реализацию моста Уитстона, переход от одинарного источника питания к двойному — это очень быстрый и простой способ повысить разрешение, выровнять кривую отклика и повысить помехоустойчивость. Например, если вы в настоящее время используете цепь 5 В и GND, добавление инвертирующего импульсного источника питания на основе подкачки заряда обойдется вам в три дешевых компонента и даст вам питание -5 В. Имея питание +5В/-5В на вашей мостовой схеме, ваш выход будет сбалансирован на уровне 0В/земля.Это улучшит подавление, и любой универсальный или инструментальный усилитель с шиной питания от сети к шине с двойным питанием сможет использовать выходной сигнал без каких-либо изменений. Единственное другое изменение, которое вам нужно будет рассмотреть, — это смещение выхода усилителя, чтобы гарантировать, что минимальное и максимальное напряжения находятся в пределах диапазона, который может легко прочитать ваш АЦП или другая схема.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам в разработке вашей следующей печатной платы? Поговорите с экспертом Altium.

Измерение падения напряжения на токоизмерительном резисторе. Часть 1. Вопросы измерения

Измерение падения напряжения на токоизмерительном резисторе может быть тривиальной или сложной задачей в зависимости от напряжения на шине и других факторов.

В предыдущих статьях мы рассмотрели, казалось бы, простую проблему выбора резистора, используемого для этого распространенного метода измерения тока ( EE World Content References 1 и 2) . В этом FAQ рассматривается дополнительная проблема точного, надежного и даже безопасного измерения напряжения на этом резисторе.

В: Является ли резистор единственным выбором для измерения тока?

А: Вовсе нет. Альтернативы включают устройства на эффекте Холла и катушки магнитного датчика. Каждый вариант предлагает относительные плюсы и минусы в данном приложении, и эти плюсы и минусы меняются и меняются по мере изменения напряжения, тока и других технических факторов. В ссылках обсуждаются некоторые из этих компромиссов, но имейте в виду, что некоторые из этих ссылок исходят от поставщиков конкретного решения, поэтому они могут быть несколько предвзятыми.Тем не менее, их стоит прочитать, если вы хотите изучить различные альтернативы.

В: Будут ли в этой статье рассмотрены другие методы обнаружения?

A: Не здесь, извините. Вместо этого предположим, что решение использовать резистор было принято по разным причинам. Это широко используемый подход, поскольку он предлагает хорошее сочетание точности, простоты взаимодействия и других характеристик, но, опять же, он имеет некоторые условия проектирования и проблемы, которые необходимо понимать.

В: Какова базовая топология?

A: Как отмечалось ранее, первая проблема заключается в том, следует ли использовать датчики на стороне высокого или низкого уровня (рис. 1) . Датчики нижнего плеча намного проще взаимодействовать и считывать падение напряжения на резисторе. Однако это также приводит к некоторым серьезным системным недостаткам, поскольку нижняя сторона нагрузки больше не заземлена (или не подключена к общей цепи). Существуют стандартные топологии, такие как полумост или полный мост, в которых сама нагрузка не заземлена, поэтому по своей сути это ситуация с высокой стороной.

В: Что особенного в измерении напряжения на резисторе? Разве базовый операционный усилитель в качестве усилителя не должен быть в состоянии сделать это?

A: В принципе ничего страшного, но на практике может быть. Для измерения нижнего плеча одна сторона усилителя датчика подключается к земле (или к общему проводу) так же, как и нагрузка, и все, что должен делать операционный усилитель, — это измерять и усиливать напряжение на этом резисторе, которое обычно составляет около 100 Ом. мВ.

В: Тогда в чем особая проблема с датчиками на стороне высокого напряжения?

A: Одна из основных проблем связана с параметром, называемым синфазным напряжением (CMV).Глядя на принципиальную схему, вы увидите, что хотя напряжение на резисторе — разность потенциалов — мала, верхний конец резистора соответствует напряжению на шине, а нижний — чуть ниже его. Другими словами, у вас есть небольшая разность потенциалов на вершине гораздо более высокого напряжения, которое является общим для обеих сторон (обратите внимание, что слово «общий», используемое здесь, не то же самое, что «общая» точка соединения цепи или ссылка).

В: Насколько велико это обычное напряжение?

A: Это полностью зависит от напряжения в системе.Для небольшой конструкции с батарейным питанием это может быть всего несколько вольт; в других случаях это могут быть сотни вольт и более. Опять же, самым большим достоинством датчика нижней стороны является отсутствие CMV, но его отрицательные стороны на системном уровне перевешивают это преимущество.

В: Итак, в чем проблема с более высокими значениями CMV?

A: Дело вот в чем: операционный усилитель, который воспринимает дифференциальное напряжение на резисторе, также подключен к земле (общий), что является необходимой частью его конструкции, даже если он воспринимает это небольшое напряжение в присутствии CMV (рис. 2) .Как правило, усилители не могут работать так хорошо или без повреждений, когда CMV становится больше и превышает предел CMV усилителя. Типичный операционный усилитель, предназначенный для измерения дифференциального напряжения на резисторе, может выдерживать максимальное CMV от 30 до 50 В.

В: Существуют ли усилители, предназначенные для обработки небольших различий, несмотря на большие CMV?

A: Да, они есть, и они бывают разных конфигураций, например, дифференциальные усилители или усилители измерения тока (подробнее об этом позже).Тем не менее, существуют ограничения в отношении того, сколько CMV они могут обрабатывать или насколько хорошо они будут работать в присутствии более крупных CMV.

В: Но в моей конструкции используется низковольтная шина до 10 В, так что у меня все еще есть проблема?

A: Вероятно, нет, и именно поэтому комбинация чувствительного резистора и усилителя так широко используется при таких более низких напряжениях.

В: В моей конструкции используется шина около 75 В. Могу ли я просто приобрести усилитель с рейтингом CMV выше этого значения, чтобы у меня не было проблем?

А: И да и нет.Хотя усилитель может без проблем переносить CMV, это также означает, что усилитель видит высокую разность потенциалов относительно земли (общая). Следовательно, CMV также присутствует в усилителе и связанных с ним схемах, и необходимо гарантировать, что высокое напряжение не «касается» других компонентов схемы, которые это более высокое напряжение может повредить.

В: Это все?

A: Нет: не менее важно, что это становится возможной проблемой безопасности пользователя, поскольку более высокие напряжения подпадают под действие нормативных требований.В зависимости от конечного применения и регулирующего органа напряжение выше 50–60 В считается потенциально опасным. Таким образом, в то время как нагрузка (например, двигатель) может иметь подходящую изоляцию и защиту, чтобы пользователь не мог прикасаться к более высоким напряжениям, соответствующая печатная плата не может, и это может быть неприемлемо с точки зрения нормативных стандартов.

В: Что можно сделать?

A: Одним из решений является разработка конструкции, которая защищает всю печатную плату и любые предполагаемые опасные напряжения от пользователей.Однако это сложнее, чем может показаться, особенно потому, что нормативные требования, как правило, очень строгие и могут также требовать, чтобы средства защиты (MOP) функционировали даже в случае сбоя в установке. Поэтому простого устройства защиты может быть недостаточно, и для получения необходимых разрешений может потребоваться сложное решение.

Часть 2 этой статьи посвящена гальванической развязке и ее роли в борьбе с ЦМВ.

Родственный контент EE World

  1. Практический пример компромисса: подбор токоизмерительного резистора, часть 1
  2. Практический пример компромисса: подбор токоизмерительного резистора, часть 2
  3. Основы изоляции линий переменного тока для обеспечения безопасности, часть 1: задача
  4. Основы изоляции линий переменного тока для обеспечения безопасности, часть 2: решение
  5. Мост Уитстона, Часть 1: Принципы и основные области применения
  6. Мост Уитстона, часть 2: дополнительные соображения
  7. 4-проводная схема измерения Кельвина решает проблему «падения ИК-излучения»
  8. Гальваническая развязка для систем электромобилей
  9. Драйвер высоковольтного затвора с гальванической развязкой 6 кВ поставляется в компактном корпусе
  10. Сверхточный датчик тока 400 кГц имеет класс изоляции 5 кВ
  11. Модули токовых шунтов большой мощности с функцией 1.Изоляция 5 кВ
  12. Преобразователь постоянного тока в один ватт с усиленной изоляцией 5 кВ переменного тока
  13. Двунаправленный усилитель тока предназначен для полномасштабных прямых измерений тока обмотки двигателя
  14. Монитор мощности/энергии включает чувствительный резистор для измерения ±65 A

Внешние ссылки (это лишь некоторые из многих доступных; измерение тока через резистор или другие средства — очень важная и широко обсуждаемая тема)

  • Texas Instruments, «Шесть способов измерения тока и как решить, какой из них использовать»
  • Texas Instruments, SBAA293B, «Сравнение изолированных токоизмерительных решений на основе шунта и Холла в ГЭМ/ЭМ»
  • Texas Instruments, SBAA359A, «Сравнение изолированных усилителей и изолированных модуляторов»
  • Analog Devices, MT-041, «Диапазон синфазного и дифференциального напряжения на входе и выходе операционного усилителя»
  • Analog Devices, «Найти иголку в стоге сена: измерение малых дифференциальных напряжений при наличии больших синфазных напряжений»
  • Analog Devices, MT-068, «Усилители измерения разности и тока»
  • Maxim Integrated, Учебное пособие 2045, «Знакомство с синфазными сигналами»
  • ТТ Электроникс.«Использование токоизмерительных резисторов для повышения эффективности»
  • Knick Interface LLC, «Шунтовой резистор против технологии эффекта Холла» (с акцентом на довольно большие токи)
  • Проект самодельной схемы, «Схема точного измерения и контроля тока»

Ошибка неработающей ссылки

    Панель приборов

    ECE 1250-001 Осень 2017 г.

    Перейти к содержанию Панель приборов
    • Авторизоваться

    • Приборная панель

    • Календарь

    • Входящие

    • История

    • Помощь

    Закрывать