ولت متر یک ابزار اندازه‌گیری است که در صورت اتصال موازی با بخشی از مدار مورد اندازه‌گیری، برای یافتن سطوح ولتاژ در مدارهای الکتریکی، استفاده می‌شود.
هنگام تجزیه و تحلیل عملکرد مدارهای الکتریکی و الکترونیکی یا تلاش برای درک اینکه چرا یک مدار مطابق انتظار کار نمی‌کند، در نهایت باید از یک ولت متر برای اندازه‌گیری سطوح مختلف ولتاژ استفاده کنید. ولت مترهای مورد استفاده برای اندازه‌گیری ولتاژ در اشکال و اندازه‌های مختلف، آنالوگ یا دیجیتال، یا به عنوان بخشی از مولتی‌متر دیجیتال که امروزه بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، وجود دارند.
ولتمتر می‌تواند برای اندازه‌گیری ولتاژ DC و همچنین ولتاژ AC سینوسی استفاده شود، اما معرفی یک ولت متر به عنوان یک ابزار اندازه‌گیری در مدار می‌تواند با شرایط حالت پایدار آن تداخل ایجاد کند.
همانطور که از نام آن پیداست، “ولت متر” ابزاری است که برای اندازه‌گیری ولتاژ (V) استفاده می‌شود، که اختلاف پتانسیل موجود بین هر دو نقطه در مدار است.
برای اندازه‌گیری ولتاژ، ولت متر باید موازی با قطعه‌ای که می‌خواهید ولتاژ آن را اندازه‌گیری کنید، وصل شود.
ولت‌مترها را می‌توان برای اندازه‌گیری افت ولتاژ در یک قطعه یا منبع واحد استفاده کرد، یا می‌توان از آنها برای اندازه‌گیری مجموع افت ولتاژ در دو یا چند نقطه یا قطعه در یک مدار بکار برد.
به عنوان مثال، اگر یک ولت متر را به پایانه‌های یک باتری خودرو کاملاً شارژ شده وصل کنیم، 12.6 ولت را نشان می‌دهد. یعنی اختلاف پتانسیل 12.6 ولتی بین پایانه‌های مثبت و منفی باتری وجود دارد. بنابراین، ولتاژ V همیشه در عرض یا موازی با یک قطعه مدار اندازه‌گیری می‌شود.
ابتدایی‌ترین نوع ولت متر آنالوگ DC، سنجشگر (meter) “سیم‌پیچ متحرک مغناطیس دائم” (PMMC) است که به عنوان سنجشگر آرسنوال (D’Arsonval) نیز شناخته می‌شود.
این نوع سنجشگر آنالوگ، اساساً یک دستگاه اندازه‌گیری جریان (به نام گالوانومتر) است که می‌تواند به صورت ولتمتر یا آمپرمتر پیکربندی شود، تفاوت اصلی در نحوه اتصال آنها در یک مدار است.
سنجشگر سیم پیچ متحرک از یک آهنربای دائمی ثابت و یک سیم پیچ با سیم بسیار نازک استفاده می‌کند که اجازه حرکت (از این رو “سیم‌پیچ متحرک”) در میدان مغناطیسی آهنربا را می‌دهد.
هنگامی که به یک مدار متصل می‌شود، جریان الکتریکی از طریق سیم پیچ جریان می‌یابد و به نوبه خود میدان مغناطیسی (الکترومغناطیس) خود را ایجاد می‌کند که در برابر میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنربای دائمی واکنش نشان داده و در نتیجه باعث حرکت سیم‌پیچ می‌شود.
از آنجایی که گالوانومتر به عبور داخلی جریان پاسخ می‌دهد، اگر مقاومت داخلی سیم‌پیچ (ناشی از سیم مسی) را بدانیم، میتوانیم به سادگی از قانون اهم برای تعیین اختلاف پتانسیل مربوطه که اندازه‌گیری می‌شود، استفاده کنیم.
ساختار سنجشگر سیم‌پیچ متحرک مغناطیس دائم
مقدار حرکت سیم پیچ الکترومغناطیسی که «انحراف» نامیده می‌شود، متناسب با قدرت جریان عبوری از سیم پیچ است که برای تولید میدان مغناطیسی لازم برای انحراف سوزن لازم است.
به طور کلی، یک عقربه یا سوزن به سیم‌پیچ متصل است بنابراین حرکت سیم پیچ باعث می‌شود که عقربه در یک مقیاس خطی منحرف شود تا مقدار اندازه‌گیری شده را با زاویه انحراف متناسب با جریان ورودی، نشان دهد. بنابراین عقربه گالوانومتر در پاسخ به جریان حرکت می‌کند.
معمولاً از فنرهای ضربه‌گیر نوع حرکت ساعت مارپیچ نازک (thin helical watch movement type damping springs) برای کنترل زاویه انحراف استفاده می‌شود که از نوسانات یا حرکات سریع که می‌تواند به عقربه آسیب برساند، جلوگیری کرده و همچنین حرکت سیم‌پیچ را در حالت استراحت زمانی که جریانی از سیم پیچ عبور نمی‌کند، حفظ می‌کند.
به طور کلی حرکت عقربه بین صفر در سمت چپ و انحراف کامل (FSD) در منتهی الیه سمت راست مقیاس، است. برخی از سنجه‌ها دارای یک عقربه در مرکز فنر با موقعیت استراحت صفر در وسط مقیاس هستند که امکان حرکت عقربه در هر دو جهت را فراهم می‌کند. این ساختار برای اندازه گیری ولتاژ با دو قطبیت مفید است.
اگرچه این سنجشگر PMMC به صورت خطی به جریان عبوری در سیم پیچ متحرک پاسخ می‌دهد، می‌توان آن را برای اندازه‌گیری ولتاژ با افزودن یک مقاومت به صورت سری با حرکت سیم‌پیچ‌ها، سازگار کرد. ترکیب یک مقاومت سری با سنجشگر سیم‌پیچ متحرک، یک ولتمتر DC را تشکیل می‌دهد که می‌تواند پس از کالیبره شدن نتایج دقیقی را ارائه دهد.
اندازه گیری ولتاژ
در مقاله های مفاهیم پایه الکترونیک آموختیم که وقتی بارهای الکتریکی در حالت تعادل هستند، ولتاژ بین هر دو نقطه از مدار صفر است و اگر جریانی (حرکت بار) در مدار جریان داشته باشد، ولتاژی بین دو یا چند نقطه مختلف مدار وجود خواهد داشت.
با استفاده از گالوانومتر، نه تنها جریان بین دو نقطه، بلکه اختلاف ولتاژ بین آنها را نیز می‌توان اندازه‌گیری کرد، زیرا طبق قانون اهم، این مقادیر با یکدیگر متناسب هستند. بنابراین، با استفاده از یک ولت متر مدرج میتوانیم اختلاف پتانسیل بین هر دو نقطه از مدار را اندازه‌گیری کنیم.
اما چگونه یک سنجش گر را که با استفاده از جریان کار می‌کند به سنجشگری تبدیل کنیم که بتوان از آن برای اندازه گیری ولتاژ استفاده کرد؟ قبلاً گفتیم که انحراف سنجشگر سیم پیچ متحرک آهنربای دائم متناسب با قدرت جریان عبوری از سیم‌پیچ متحرک آن است.
اگر انحراف در مقیاس کامل (FSD) در مقاومت داخلی سیم‌پیچ‌های متحرک ضرب شود، می‌توان سنجشگر را به‌جای جریان، ولتاژ خواند و در نتیجه سنجشگر سیم‌پیچ متحرک آهنربای متحرک را به یک ولت متر DC تبدیل کرد.
با این حال، به دلیل طراحی حرکت سیم‌پیچ، بیشتر سنجشگرهای PMMC دستگاه‌هایی بسیار حساس هستند که می‌توانند جریان انحراف در مقیاس کامل IG نامی تا 100µA (یا کمتر) داشته باشند. به عنوان مثال، اگر مقدار مقاومت سیم‌پیچ‌های متحرک RG برابر 500Ω باشد، حداکثر ولتاژ در مقیاس کامل که میتوانیم اندازه‌گیری کنیم تنها 50 میلی ولت خواهد بود (V = I*R = 100µA × 500Ω).
بنابراین، برای اینکه حرکت سیم پیچ حساس یک ولتمتر PMMC مقادیر ولتاژ بالاتر را اندازه‌گیری کند، باید راهی برای کاهش ولتاژ اندازه‌گیری شده به مقداری که سنجشگر می‌تواند انجام دهد، پیدا کنیم و این با قرار دادن یک مقاومت به نام ضرب کننده به صورت سری با مقاومت سیم پیچ داخلی سنجشگر، به دست می‌آید.
بیایید فرض کنیم که می‌خواهیم از گالوانومتر 100uA، 500Ω در بالا برای اندازه‌گیری ولتاژ مدار تا 1.0 ولت استفاده کنیم. واضح است که نمی‌توانیم سنجشگر را مستقیماً برای اندازه‌گیری 1 ولت وصل کنیم، زیرا همانطور که قبلاً دیدیم، حداکثر ولتاژی که می‌تواند اندازه‌گیری کند 50 میلی‌ولت (50mV) است. اما با استفاده از قانون اهم می‌توان مقدار مقاومت سری، RS مورد نیاز را محاسبه کرد که در صورت استفاده برای اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل یک ولت، یک سنجشگر در مقیاس کامل ایجاد می‌کند.
اگر جریانی که گالوانومتر برای آن انحراف در مقیاس کامل می‌دهد 100uA باشد، مقاومت سری RS مورد نیاز 9.5kΩ محاسبه می‌شود. بنابراین یک گالوانومتر را می‌توان به سادگی با اتصال یک مقاومت به اندازه کافی به صورت سری به آن، به یک ولت متر تبدیل کرد.
مقاومت سری ولت متر
توجه داشته باشید که این مقاومت سری RS همیشه بزرگتر از مقاومت داخلی سیم پیچ، RG خواهد بود تا قدرت جریان در سیم‌پیچ ها را محدود کند. بنابراین ترکیب سنجشگر با این مقاومت سری خارجی اساس یک ولتمتر آنالوگ ساده را تشکیل می‌دهد.
مثال 1- ولت متر
یک گالوانومتر PMMC دارای مقاومت سیم پیچ داخلی 100 اهم است و یک انحراف در مقیاس کامل برای 200 میلی ولت ایجاد می‌کند. مقاومت ضرب کننده مورد نیاز را پیدا کنید تا هنگام اندازه‌گیری ولتاژ 5 ولت DC، سنجشگر انحراف کامل داشته باشد.
بنابراین مقاومت سری مورد نیاز، 2.4kΩ است.
میتوانیم از این روش برای اندازه‌گیری هر مقدار ولتاژ با تغییر مقدار مقاومت‌های ضرب‌کننده در صورت لزوم استفاده کنیم، مشروط بر اینکه مقادیر انحراف در مقیاس کامل (FSD) جریان یا ولتاژ گالوانومتر (IFSD یا VFSD) را بدانیم. سپس تنها کاری که باید انجام دهیم این است که مقیاس را مجدداً برچسب گذاری کنیم تا از صفر به مقدار ولتاژ اندازه‌گیری شده جدید را بخواند.
این مدار تقسیم کننده ولتاژ سری ساده را می‌توان بیشتر گسترش داد تا طیفی از مقاومت‌های “ضرب کننده” مختلف را در طراحی خود داشته باشد و در نتیجه به ولت متر اجازه دهد تا محدوده‌ای از سطوح مختلف ولتاژ را در یک حرکت سوئیچ اندازه‌گیری کند.
طراحی ولت متر چند دامنه‌ای (Multi-Range)
ولت متر DC ساده بالا را می‌توان با استفاده از تعدادی مقاومت سری که هر کدام برای محدوده ولتاژ خاصی انتخاب می‌شوند، بیشتر گسترش داد، و می‌توان آنها را تک به تک توسط یک سوئیچ چند پل انتخاب کرد و بنابراین به ولت متر آنالوگ اجازه اندازه‌گیری محدوده وسیعتری از سطوح ولتاژ با یک حرکت واحد را می‌دهد.
به این نوع پیکربندی ولت متر، ولت متر چند دامنه‌ای گفته می‌شود که محدوده‌های آن بسته به تعداد موقعیت سوئیچ انتخاب می‌شود، به عنوان مثال، 4 موقعیت، 5 موقعیت و غیره.
پیکربندی ولت متر مولتی رنج مستقیم
در این پیکربندی ولتمتر، هر مقاومت ضرب کننده RS ولت متر چند دامنه‌ای، به صورت سری به سنجشگر وصل می‌شود تا محدوده ولتاژ مورد نظر را ارائه دهد. بنابراین، اگر فرض کنیم سنجشگر 50mV FSD بالا برای اندازه‌گیری محدوده ولتاژ 10 ولت، 50 ولت، 100 ولت، 250 ولت و 500 ولت مورد نیاز است، مقاومت های سری مورد نیاز مانند قبل محاسبه می‌شوند:
که منجر به مدار ولت متر چند دامنه‌ای مستقیم به صورت زیر می‌شود:
در حالی که این پیکربندی ولت متر مستقیم برای خواندن محدوده ولتاژهای مورد نظر بسیار خوب عمل می‌کند، مقادیر مقاومت ضرب کننده مورد نیاز برای به دست آوردن FSD درست سنجشگر برای محدوده های محاسبه شده، می‌تواند مقادیر مقاومتی را ارائه دهد که مقادیر ترجیحی استاندارد نیستند یا نیاز به لحیم شدن مقاومت‌ها به یکدیگر برای تولید مقدار دقیق را دارند.
مقادیر محاسبه‌شده ما از 99.5kΩ تا 4.9995MΩ، مقادیر مقاومت رایج نیستند، بنابراین ما باید یک تغییر از طراحی ولتمتر بالا را پیدا کنیم که از مقادیر مقاومت رایج‌تر در دسترس استفاده کند.
پیکربندی ولتمتر چند دامنه‌ای غیر مستقیم (Indirect Multi-range)
یک طراحی کاربردیتر، پیکربندی غیرمستقیم ولتمتر است که در آن یک یا چند مقاومت سری در یک زنجیره سری با سنجشگر به هم متصل می‌شوند تا محدوده ولتاژ مورد نظر را ارائه دهند. مزیت در اینجا این است که میتوانیم از مقادیر ترجیحی استاندارد برای مقاومت‌های ضرب کننده استفاده کنیم.
اگر دوباره سنجشگر 50mV FSD و محدوده ولتاژهای 10 ولت، 50 ولت، 100 ولت، 250 ولت و 500 ولت را فرض کنیم، مقاومت های ضرب کننده سری مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می‌شوند:
که منجر به مدار ولت متر چند دامنه ای غیر مستقیم زیر می‌شود:
می‌توان دید که با این پیکربندی ولتمتر 5 دامنه‌ای غیرمستقیم، هر چه ولتاژ اندازه‌گیری بالاتر باشد، مقاومت‌های ضرب کننده بیشتری توسط سوئیچ انتخاب می‌شود. مقاومت کل متصل به صورت سری با سنجشگر PMMC، مجموع مقاومت‌ها خواهد بود، زیرا RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3 … است.
واضح است که در حالی که دو مدار، پیکربندی ولت متر مستقیم و غیرمستقیم، هر دو قادر به خواندن سطوح ولتاژ یکسان هستند، استفاده از مقادیر مقاومت استاندارد و ترجیحی 400kΩ، 500kΩ، 1M5Ω و2M5Ω ، ساخت روش غیرمستقیم را آسان‌تر و ارزان‌تر می‌کند.
انتخاب مقادیر مقاومت در نهایت به FSD گالوانومتر مورد استفاده و سطوح ولتاژی که باید اندازه‌گیری شوند، بستگی دارد. در هر صورت، یک ولتمتر آنالوگ DC ساده چند دامنه‌ای را می‌توان با اتصال مقاومت های ضرب کننده سری بیشتر و یک سوئیچ ساخت. اکثر مولتیمترهای دیجیتال این روزها دارای محدوده خودکار هستند.
آخرین نکته‌ای که در ساخت ولت متر DC باید به آن توجه کرد این است که یک ولتمتر ایده‌آل هیچ تاثیری بر قسمتی از مدار یا قطعه‌ای که اندازه‌گیری می‌شود، نخواهد داشت زیرا مقاومت معادل بینهایت دارد.
اما در عمل هنگام اندازه‌گیری ولتاژ، اتصال ولت متر به مدار، به خصوص مدار با مقاومت بالا، می‌تواند مقاومت موثر مدار را کاهش دهد و در نتیجه باعث کاهش ولتاژ اندازه‌گیری شده بین دو نقطه شود.
برای به حداقل رساندن این اثر بارگذاری، باید از سنجشگری با حساسیت بالا استفاده کرد، یعنی انحراف در مقیاس کامل آن با جریان انحراف کمتری به دست آید تا مقاومت ضرب کننده مورد استفاده برای ولتمتر تا حد امکان بالا باشد و جریان عبوری از سنجشگر PMMC کاهش یابد. حساسیت یک ولتمتر بر حسب اهم/ولت (Ω/V) اندازه‌گیری می‌شود.
