ولت متر، از زمانی که اختراع شده، همواره بخش اصلی در اندازه‌گیری مدارهای الکتریکی و الکترونیکی بوده است. برای اطمینان از اینکه مدار به طور صحیح طراحی و مونتاژ شده باشد، به ابزار سنجش مبتنی بر ولتاژ نیاز داریم. در این آموزش به بحث در مورد ولت متر، اصول کار آن، معادله ولتاژ، حساسیت به ولتاژ، انواع ولت متر و کاربردهای آن‌ها می‌پردازیم.

ولت متر چیست؟

ولت متر یک ابزار اندازه‌گیری است که ولتاژ بین دو گره را در یک مدار الکتریکی اندازه‌گیری می‌کند. در ولت‌مترهای آنالوگ، نشانگر متناسب با ولتاژ مدار در یک مقیاس مشخص حرکت می‌کند. ولت متر دیجیتال با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال، ولتاژ را به صورت عددی نمایش می‌دهد.

ولت‌مترهای نصب شده دائمی، برای پایش ژنراتورها یا سایر دستگاه‌های ثابت به کار می‌روند. ابزارهای قابل حمل نیز برای اندازه‌گیری جریان و مقاومت به مولتی‌متر مجهز شده‌اند. این ابزارها، تجهیزات استاندارد تست در کارهای برق و الکترونیک هستند.

ولت متر
شکل ۱: ولت متر

اصول عملکرد ولت متر

عملکرد ولت متر مبتنی بر قانون اهم است. قانون اهم بیان می‌کند: «ولتاژ دو سر یک مقاومت تناسب مستقیم با جریان گذرنده از آن دارد.» وقتی حداکثر مقیاس جریان از هر سنجه استانداردی عبور کند، در دو سر خود دارای اختلاف پتانسیل خواهد بود. نماد نمایش ولت‌متر دایره‌ای است که درون آن حرف $$V$$ نوشته شده است.

شکل مدار برای نمایش ولتاژ
شکل ۲: شکل مدار برای نمایش ولتاژ

یک ولت متر همیشه به صورت موازی با آن عنصر از مدار قرار می‌گیرد که می‌خواهیم ولتاژ‌ش را اندازه بگیریم. روی یک ولت‌متر DC علامت‌های پلاریته درج شده است. بنابراین، باید ترمینال با علامت مثبت (+) ولت‌متر را به نقطه‌ای با ولتاژ بالاتر و ترمینال منفی (-) آن را به نقطه‌ای وصل کنیم که دارای ولتاژ کمتری است. بدین صورت ولتاژ به صورت صحیح به دست خواهد آمد.

در یک ولت متر AC علائم پلاریته وجود ندارد و می‌توان ترمینال‌های ولت‌ متر را به صورت دلخواه به نقاط مورد نظر متصل کرد. البته، ولت‌مترهای AC نیز موازی با عنصری قرار می‌گیرند که می‌خواهیم اختلاف ولتاژ دو سر آن را اندازه‌گیری کنیم. با سری قرار دادن یک مقاومت با آمپرمتر، می‌توانیم ولت‌متری با مقیاس ولتاژ بزرگ بسازیم. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

قابلیت مقیاس کامل ولتاژ
شکل ۳: قابلیت مقیاس کامل ولتاژ

معادله ولتاژ

در شکل بالا، مقاومت سری، ضرب‌کننده نامیده می‌شود و مقدار آن را می‌توان از معادله ولتاژ زیر به دست آورد:

$$ \large V = I_ m R _ { s e} + V _ m $$

که در آن، $$ V $$ ولتاژ در حال اندازه‌گیری، $$I_m$$ جریان تمام مقیاس، $$ R_ { s e } $$ مقاومت سری و $$ V _ m $$ ولتاژ تمام مقیاس است.

حساسیت ولتاژ

حساسیت ولتاژ برابر با معکوس جریان لازم برای انحراف تمام مقیاس است.

$$\text {Voltage Sensitivity} = \large \frac { 1 } { I _ m }\;\;\; [ \Omega / V] $$

هرچه جریان سنجه کوچک‌تر باشد، حساسیت ولتاژ‌ بزرگ‌تر خواهد بود. مقاومت واقعی ولت متر برابر با حاصل‌ضرب حساسیت در ولتاژ‌ کامل است. مقاومت ولت متر همیشه ثابت خواهد بود، حتی زمانی که قرائت ولتاژ یک قرائت مقیاس کامل نباشد.

انواع ولت‌مترها

شکل زیر انواع ولت‌مترها را نشان می‌دهد.

انواع ولت‌مترها
شکل ۴: انواع ولت‌مترها

ولت‌متر آنالوگ

در این نوع ولت متر ولتاژ با انحراف عقربه یا همان نشانگر نشان داده می‌شود. یک ولت متر آنالوگ را می‌توان در سه دسته تقسیم‌بندی کرد:

  • ولت‌متر با پیچه متحرک
  • ولت‌متر با آهن متحرک
  • ولت‌متر الکترواستاتیک
نمای عملکردی ولت‌متر آنالوگ
شکل ۵: نمای عملکردی ولت‌متر آنالوگ

ولت متر پیچه متحرک

ابزارهای پیچه متحرک ولت‌مترهای آنالوگی هستند که در دو نوع موجودند:

  • ولت‌مترهای پیچه متحرک مغناطیس دائم
  • ولت‌مترهای پیچه متحرک دینامومتر

ابزارهای پیچه متحرک مغناطیس دائم: ابزارهای پیچه متحرک مغناطیس دائم فقط به جریان مستقیم پاسخ می‌دهند. این ابزارها برای تولید میدان مغناطیسی آهنربا یا مغناطیس دائم دارند. پیچه به دور یک قطعه آهن نرم پیچانده شده و روی محور عمودی‌اش می‌چرخد. وقتی جریان از پیچه عبور می‌کند، گشتاور انحراف طبق معادله نیروی لورنتس تولید می‌شود.

ولت‌متر پیچه متحرک
شکل ۶: ولت‌متر پیچه متحرک

ابزارهای پیچه متحرک دینامومتر: ابزارهای پیچه متحرک دینامومتر از دو پیچه تشکیل می‌شوند. یک پیچه ثابت است و دیگری به دور آن می‌چرخد. برهمکنش دو میدان منجر به تولید گشتاور انحراف می‌شود.

ابزارهایی با آهن متحرک

ابزارهایی با آهن متحرک در مدارهای AC مورد استفاده قرار می‌گیرند و به انواع آهن متحرک ساده، دینامومتر و القایی دسته‌بندی می‌شوند. ابزارهای با آهن متحرک از آهن نرم شامل پیچه‌های متحرک و ثابت تشکیل شده‌اند.

ولت‌متر آهن متحرک 
شکل ۷: ولت‌متر آهن متحرک

برهمکنش شارهای تولیدی این عناصر موجب تولید گشتاور انحراف می‌شود. محدوده‌های اندازه‌گیری این ابزارها را می‌توان با نگه داشتن مقاومت‌های سری با پیچه گسترش داد.

ولت‌متر الکترواستاتیک

این نوع ولت متر بر اساس قاعده الکترواستاتیک کار می‌کند که در آن دافعه بین دو صفحه باردار سبب ایجاد انحراف در نشانگر چسبیده به فنر می‌شود.

این ابزارها برای اندازه‌گیری‌های ولتاژ بالای AC و DC مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع ولت‌مترها، ابزارهایی با حساسیت بالا هستند و قابلیت اندازه‌گیری کوچک‌ترین ولتاژهای بار تا ولتاژ بالایی مانند ۲۰۰ کیلوولت را دارند.

ولت‌متر الکترواستاتیک
شکل ۸: ولت‌متر الکترواستاتیک

ولت‌متر لامپ خلأ و ولت‌متر ترانزیستوری

این نوع ابزارها می‌توانند ولتاژهای AC/DC و مقاومت را اندازه‌گیری کنند. این دستگاه‌ها از تقویت‌کننده الکترونیکی بین ورودی و سنجه استفاده می‌کنند.

ولت‌متر لامپ خلأ 
شکل ۹: ولت‌متر لامپ خلأ

اگر این دستگاه از لامپ خلأ در تقویت‌کننده استفاده کند، آنگاه ولت‌متر لامپ خلأ (Vacuum Tube Voltmeter) یا VTVM نامیده می‌شود. VTVMها در اندازه‌گیری توان بالای AC مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترانزیستور اثر میدان (FET) ترانزیستوری است که از میدان الکتریکی برای کنترل رفتار الکتریکی قطعه استفاده می‌کند. این ترانزیستورها به عنوان ترانزیستورهای تک‌قطبی نیز شناخته می‌شوند. ولت متر مبتنی بر ترانزیستور اثر میدان از این ویژگیِ ترانزیستورهای اثر میدان برای اندازه‌گیری ولتاژ بهره می‌برد.

ولت‌متر دیجیتال

ولت متر دیجیتال (DVM) ولتاژ‌ را با LEDها یا LCDها نمایش می‌دهد. این ابزار باید حاوی مبدل A/D باشد. این تجهیز شامل میکروکنترلر، مبدل آنالوگ به دیجیتال و نمایشگر LCD برای نمایش دیجیتال دقیق مقادیر آنالوگ از ۰ تا ۱۵ ولت DC است.

ولت‌متر و مولتی‌متر دیجیتال 
شکل ۱۰: ولت‌متر و مولتی‌متر دیجیتال

از این ولت‌مترها به دلیل دقت و دوامی که دارند استفاده می‌شود و خطای قرائت را کاهش می‌دهند.

کاربردهای ولت‌متر

از کاربردهای ولت‌متر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • یافتن ولتاژ یک دستگاه ذخیره بار، مانند تست ولتاژ یک باتری. برای مثال، یک باتری AAA دارای ولتاژ تقریباً ۱٫۶ ولت است. این در حالی است که ولتاژ یک باتری که طول عمر آن تمام شده است، ۱٫۱ ولت را نشان می‌دهد. یک باتری خودروی ۱۲ ولتی سرب-اسید، زمانی که کاملاً شارژ شده باشد، دارای ولتاژ‌ ۱۲٫۵ ولت است یا اگر با آلترناتور خودرو شارژ شده باشد، ولتاژ ۱۴ ولت را نشان می‌دهد. اگر ولتاژ‌ این باتری ۱۰ ولت باشد، یعنی آلترناتور دچار مشکل شده است.
  • تشخیص اینکه یک مدار برق دارد یا خیر؛ مثلاً یک پریز برق.
  • بررسی برق‌دار بودن یا نبودن لوازم برقی.
  • محاسبه جریان با تقسیم ولتاژ بر مقاومت در زمانی که آمپرمتر در اختیار نداشته باشیم.
  • بررسی اتصال بین باتری‌های سری
  • استفاده به عنوان یک اهم‌متر با استفاده از یک مقسم ولتاژ با مقاومت نامعلوم.
  • استفاده به عنوان آمپرمتر با اندازه‌گیری ولتاز دو سر یک مقاومت شنت.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

telegram
twitter

سید سراج حمیدی

«سید سراج حمیدی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. او مدتی در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر فعالیت کرده، و در حال حاضر، آموزش‌های مهندسی برق و ریاضیات مجله فرادرس را می‌نویسد.

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *