앞서 언급했듯이 대부분의 미터 운동은 민감한 장치입니다. 일부 D'Arsonval 운동은 전체 규모 편향 전류 정격이 50µA에 불과하고 (내부) 와이어 저항은 1000Ω 미만입니다. 이는 전체 규모 정격이 50밀리볼트(50µA X 1000Ω)에 불과한 전압계를 만듭니다! 이러한 민감한 운동에서 실용적인(더 높은 전압) 스케일의 전압계를 구축하려면 측정된 전압량을 운동이 처리할 수 있는 수준으로 줄이는 방법을 찾아야 합니다.
D'Arsonval 무브먼트 미터
D'Arsonval 미터 운동의 전체 규모 편향 정격이 1mA이고 코일 저항이 500Ω인 예제 문제를 시작해 보겠습니다.
옴의 법칙 (E=IR)을 사용하면 이 미터의 움직임을 전체 범위로 직접 구동하는 전압이 얼마인지 확인할 수 있습니다.
E = IR E = (1mA)(500Ω) E = 0.5V
만약 우리가 원하는 것이 1/2볼트를 측정할 수 있는 미터뿐이라면, 여기 있는 맨 미터 움직임만으로도 충분할 것입니다. 하지만 더 높은 수준의 전압을 측정하려면 더 많은 것이 필요합니다. 1/2볼트를 초과하는 효과적인 전압계 범위를 얻으려면, 측정된 전압의 정확한 비율만 미터 움직임에 걸쳐 떨어지도록 하는 회로를 설계해야 합니다.
이렇게 하면 미터 이동 범위가 더 높은 전압으로 확장됩니다. 따라서 이 비례 회로가 연결된 새로운 측정 범위를 나타내기 위해 미터 면의 눈금을 다시 레이블해야 합니다.
하지만 필요한 비례 회로를 어떻게 만들까요? 글쎄요, 만약 우리의 의도가 이 미터 운동이 지금보다 더 큰 전압을 측정하도록 하는 것이라면, 우리에게 필요한 것은 총 측정 전압을 미터 운동의 연결 지점에서 더 작은 분수로 비례시키는 전압 분배기 회로 입니다 . 전압 분배기 회로가 직렬 저항으로 만들어졌다는 것을 알고 있으므로, 저항을 미터 운동과 직렬로 연결합니다(운동 자체의 내부 저항을 분배기의 두 번째 저항으로 사용):
멀티플라이어 저항기
직렬 저항은 측정된 전압을 비례적으로 분배하면서 미터 이동의 작동 범위를 곱하기 때문에 "증배기" 저항이라고 합니다 . 직렬 회로 분석 에 익숙하다면 필요한 증배기 저항 값을 결정하는 것은 쉬운 일입니다 .
예를 들어, 이 1 mA, 500 Ω 운동을 10볼트의 인가 전압에서 정확히 전체 스케일로 읽도록 하는 데 필요한 승수 값을 결정해 보겠습니다. 이를 위해 먼저 두 개의 시리즈 구성 요소에 대한 E/I/R 표를 설정해야 합니다.
운동이 1mA의 전류가 흐르는 전체 규모로 이루어질 것이며, 이것이 인가된(전체 직렬 회로) 전압 10볼트에서 일어나기를 원하므로, 다음과 같이 표를 채울 수 있습니다.
승수의 저항 값을 결정하는 방법은 몇 가지가 있습니다. 한 가지 방법은 "전체" 열(R=E/I)에서 옴의 법칙을 사용하여 총 회로 저항을 결정한 다음, 운동의 500Ω을 빼서 승수 값을 구하는 것입니다.
동일한 저항 값을 계산하는 또 다른 방법은 전체 스케일 편향에서 움직임에 걸친 전압 강하를 결정한 다음(E=IR) 그 전압 강하를 전체에서 빼서 승수 저항에 걸친 전압을 구하는 것입니다. 마지막으로, 옴의 법칙을 다시 사용하여 승수에 대한 저항(R=E/I)을 결정할 수 있습니다.
어느 쪽이든 같은 답(9.5kΩ)이 나오며, 한 방법을 다른 방법의 검증으로 사용하여 작업의 정확성을 확인할 수 있습니다.
미터 테스트 리드(일부 배터리 또는 정밀 전원 공급 장치) 사이에 정확히 10볼트가 인가되면 "증배기" 저항과 운동 자체의 내부 저항에 의해 제한되는 미터 운동을 통해 정확히 1mA의 전류가 흐릅니다. 운동의 와이어 코일 저항에서 정확히 1/2볼트가 떨어지고 바늘은 정확히 전체 눈금을 가리킬 것입니다. 눈금을 0~10V(0~1mA 대신)로 다시 표시하면 눈금을 보는 사람은 누구나 표시를 10볼트로 해석할 것입니다.
미터 사용자는 운동 자체가 실제로 외부 소스에서 10볼트의 일부만을 측정한다는 사실을 전혀 알 필요가 없다는 점에 유의하세요. 사용자에게 중요한 것은 회로 전체가 총 인가 전압을 정확하게 표시하는 기능을 한다는 것입니다.
실용적인 전기 계량기가 설계되고 사용되는 방식은 다음과 같습니다. 민감한 계량기 움직임은 최대 감도를 위해 가능한 한 적은 전압과 전류로 작동하도록 제작되고, 그런 다음 정밀 저항으로 제작된 일종의 분배기 회로에 의해 "속아" 전체 회로에 훨씬 더 큰 전압이나 전류가 가해지면 전체 범위를 나타냅니다. 여기서 간단한 전압계의 설계를 살펴보았습니다. 전류계는 동일한 일반 규칙을 따르지만, 병렬로 연결된 "션트" 저항은 전압계 설계에 사용되는 직렬로 연결된 전압 분배기 "증배기" 저항과 달리 전류 분배기 회로를 만드는 데 사용됩니다 .
일반적으로, 이와 같은 전기 기계식 미터에 대해 여러 범위를 설정하는 것이 유용하며, 이를 통해 단일 이동 메커니즘으로 광범위한 전압을 읽을 수 있습니다. 이는 다중 극 스위치와 여러 개의 승수 저항기를 사용하여 달성되며, 각각은 특정 전압 범위에 맞게 크기가 조정됩니다.
5단계 스위치는 한 번에 하나의 저항에만 접촉합니다. 하단(시계 방향으로 완전히 돌림) 위치에서는 저항에 전혀 접촉하지 않아 "off" 설정이 제공됩니다. 각 저항은 전압계의 특정 전체 범위에 맞게 크기가 조정되며, 모두 미터 운동의 특정 정격(1mA, 500Ω)에 따라 결정됩니다. 최종 결과는 4가지 다른 전체 범위 측정이 가능한 전압계입니다. 물론 이 작업을 합리적으로 하려면 미터 운동의 눈금에 각 범위에 적합한 라벨을 부착해야 합니다.
이러한 미터 설계를 사용하면 각 저항기 값은 알려진 총 전압, 이동 전체 범위 편향 정격 및 이동 저항을 사용하여 동일한 기술로 결정됩니다. 1볼트, 10볼트, 100볼트 및 1000볼트 범위의 전압계의 경우 승수 저항은 다음과 같습니다.
이 범위에 사용된 승수 저항 값과 그 값이 얼마나 이상한지 주목하세요. 부품 상자에서 999.5kΩ 정밀 저항을 찾을 가능성은 매우 낮으므로 전압계 설계자는 보다 일반적인 저항 값을 사용하는 위의 설계의 변형을 선택하는 경우가 많습니다.
전압 범위가 점점 높아질수록 선택기 스위치에 의해 더 많은 승수 저항기가 작동하여 직렬 저항이 필요한 총계에 추가됩니다. 예를 들어, 범위 선택기 스위치를 1000볼트 위치로 설정하면 총 승수 저항 값은 999.5kΩ가 필요합니다. 이 미터 설계를 사용하면 정확히 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
R 총계 = R4 + R3 + R2 + R1 R 총계 = 900kΩ + 90kΩ + 9kΩ + 500Ω R 총계 = 999.5kΩ
물론 장점은 개별 승수 저항 값이 첫 번째 설계의 일부 홀수 값(999.5k, 99.5k, 9.5k)보다 더 일반적이라는 것입니다(900k, 90k, 9k). 그러나 미터 사용자의 관점에서 볼 때 기능상 눈에 띄는 차이는 없습니다.
검토:
- 민감한 미터 움직임에 대해 확장된 전압계 범위는 움직임 회로에 일련의 "배율기" 저항을 추가하여 정확한 전압 분배 비율을 제공함으로써 생성됩니다.