Das heißt, das elektrische Feld musste Elektronen durch die Last „ziehen“, und die dabei verbrauchte Energie wird durch eine Größe namens elektrische Spannung charakterisiert. Die gleiche Energie wurde für eine Änderung des Zustands der Ladungssubstanz aufgewendet. Wie wir wissen, verschwindet Energie nicht im Nirgendwo und erscheint nicht aus dem Nichts. Das ist es, was es sagt Gesetz der Energieeinsparung. Das heißt, wenn der Strom verbrauchte Energie durch die Last fließt, nimmt die Last diese Energie auf und erwärmt sich beispielsweise.
Das heißt, wir kommen zur Definition: elektrische Stromspannung ist eine Größe, die angibt, wie viel Arbeit das Feld geleistet hat, als es eine Ladung von einem Punkt zu einem anderen bewegte. Die Spannung in verschiedenen Teilen des Stromkreises ist unterschiedlich. Die Spannung an einem Abschnitt eines leeren Kabels ist sehr klein, und die Spannung an einem Abschnitt mit beliebiger Last ist viel größer, und die Höhe der Spannung hängt von der vom Strom geleisteten Arbeit ab. Die Spannung wird in Volt (1 V) gemessen. Um die Spannung zu bestimmen, gibt es eine Formel:
Dabei ist U die Spannung und A die Arbeit, die der Strom verrichtet, um die Ladung q zu einem bestimmten Abschnitt des Stromkreises zu bewegen.
Spannung an den Polen der Stromquelle
Was die Spannung im Schaltungsabschnitt betrifft, ist alles klar. Was bedeutet dann die Spannung an den Polen? aktuelle Quelle? In diesem Fall bedeutet diese Spannung die potenzielle Energiemenge, die die Quelle dem Strom verleihen kann. Es ist wie Wasserdruck in Rohren. Dies ist die Energiemenge, die verbraucht wird, wenn eine bestimmte Last an die Quelle angeschlossen wird. Je höher also die Spannung an der Stromquelle ist, desto mehr Arbeit kann der Strom leisten.
2) Dielektrika in einem elektrischen Feld
Im Gegensatz zu Leitern haben Dielektrika keine freien Ladungen. Alle Gebühren sind
verbunden: Elektronen gehören zu ihren Atomen und Ionen fester Dielektrika schwingen
in der Nähe der Knoten des Kristallgitters.
Wenn ein Dielektrikum in ein elektrisches Feld gebracht wird, kommt es dementsprechend zu keiner gerichteten Ladungsbewegung
Daher gelten unsere Eigenschaftsnachweise nicht als Dielektrika
Leiter - schließlich beruhten alle diese Argumente auf der Möglichkeit des Auftretens von Strom. Tatsächlich keine der vier im vorherigen Artikel formulierten Eigenschaften von Leitern
gilt nicht für Dielektrika.
2. Die volumetrische Ladungsdichte in einem Dielektrikum kann von Null verschieden sein.
3. Spannungslinien dürfen nicht senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums verlaufen.
4. Verschiedene Punkte des Dielektrikums können unterschiedliche Potenziale haben. Sprechen Sie deshalb darüber
„dielektrisches Potenzial“ ist nicht erforderlich.
Polarisation von Dielektrika- ein Phänomen, das mit einer begrenzten Verschiebung gebundener Ladungen in einem Dielektrikum oder einer Rotation elektrischer Dipole verbunden ist, normalerweise unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes, manchmal unter dem Einfluss anderer externer Kräfte oder spontan.
Die Polarisation von Dielektrika ist gekennzeichnet durch elektrischer Polarisationsvektor. Die physikalische Bedeutung des elektrischen Polarisationsvektors ist das Dipolmoment pro Volumeneinheit des Dielektrikums. Manchmal wird der Polarisationsvektor auch kurz als Polarisation bezeichnet.
Der Polarisationsvektor eignet sich zur Beschreibung des makroskopischen Polarisationszustands nicht nur von gewöhnlichen Dielektrika, sondern auch von Ferroelektrika und im Prinzip allen Medien mit ähnlichen Eigenschaften. Es eignet sich nicht nur zur Beschreibung der induzierten Polarisation, sondern auch der spontanen Polarisation (in Ferroelektrika).
Polarisation ist ein Zustand eines Dielektrikums, der durch das Vorhandensein eines elektrischen Dipolmoments in jedem (oder fast jedem) Element seines Volumens gekennzeichnet ist.
Man unterscheidet zwischen der in einem Dielektrikum unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes induzierten Polarisation und der spontanen (spontanen) Polarisation, die bei Ferroelektrika ohne äußeres Feld auftritt. In manchen Fällen kommt es unter dem Einfluss mechanischer Beanspruchung, Reibungskräften oder aufgrund von Temperaturänderungen zu einer Polarisation eines Dielektrikums (Ferroelektrikums).
Die Polarisation verändert die Nettoladung in keinem makroskopischen Volumen innerhalb eines homogenen Dielektrikums. Es geht jedoch mit dem Auftreten gebundener elektrischer Ladungen mit einer bestimmten Oberflächendichte σ auf seiner Oberfläche einher. Diese gebundenen Ladungen erzeugen im Dielektrikum ein zusätzliches makroskopisches Feld mit Intensität, das gegen das äußere Feld mit Intensität gerichtet ist. Infolgedessen wird die Feldstärke innerhalb des Dielektrikums durch die Gleichung ausgedrückt:
Abhängig vom Polarisationsmechanismus kann die Polarisation von Dielektrika in folgende Typen unterteilt werden:
Elektronisch – Verschiebung der Elektronenhüllen von Atomen unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes. Die schnellste Polarisation (bis zu 10−15 s). Nicht mit Verlusten verbunden.
Ionisch – Verschiebung von Knoten einer Kristallstruktur unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes, wobei die Verschiebung um einen Betrag kleiner als die Gitterkonstante ist. Fließzeit 10−13 s, ohne Verluste.
Dipol (Orientierung) – tritt mit Verlusten bei der Überwindung von Kopplungskräften und innerer Reibung auf. Verbunden mit der Ausrichtung von Dipolen in einem externen elektrischen Feld.
Elektronenrelaxation – Orientierung defekter Elektronen in einem externen elektrischen Feld.
Ionenrelaxation – Verschiebung von Ionen, die schwach in den Knoten der Kristallstruktur fixiert sind oder sich im Zwischenraum befinden.
Strukturell – Ausrichtung von Verunreinigungen und inhomogenen makroskopischen Einschlüssen im Dielektrikum. Der langsamste Typ.
Spontan (spontan) – aufgrund dieser Art der Polarisation weist die Polarisation in den Dielektrika, in denen sie beobachtet wird, selbst bei niedrigen Werten des äußeren Feldes deutlich nichtlineare Eigenschaften auf und es wird das Phänomen der Hysterese beobachtet. Solche Dielektrika (Ferroelektrika) zeichnen sich durch sehr hohe Dielektrizitätskonstanten aus (von 900 bis 7500 für einige Arten von Kondensatorkeramiken). Die Einführung einer spontanen Polarisation erhöht in der Regel den Verlustfaktor des Materials (bis zu 10 −2).
Resonant – die Ausrichtung von Teilchen, deren Eigenfrequenzen mit den Frequenzen des externen elektrischen Feldes übereinstimmen.
Migrationspolarisation wird durch das Vorhandensein von Schichten mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten im Material verursacht, die Bildung von Raumladungen, insbesondere bei hohen Spannungsgradienten, ist mit großen Verlusten verbunden und ist eine langsam wirkende Polarisation.
Die Polarisation von Dielektrika (mit Ausnahme der resonanten Polarisation) ist in statischen elektrischen Feldern maximal. In Wechselfeldern hängt der elektrische Polarisationsvektor aufgrund der Trägheit von Elektronen, Ionen und elektrischen Dipolen von der Frequenz ab.
Im Zeitalter des wissenschaftlichen und technischen Fortschritts muss alles gemessen werden. Elektrische Netzwerke sind keine Ausnahme. Für diese Messungen ist es wichtig zu wissen, in welchen Einheiten die Spannung gemessen wird. Im gebräuchlichsten SI-System wird die Maßeinheit für die Spannung mit 1 Volt bezeichnet oder mit 1 V abgekürzt. Kann auch als 1V bezeichnet werden. Diese Bezeichnung wurde zu Ehren des italienischen Physikers Alessandro Volta gewählt.
Was ist elektrische Spannung?
Es kann nicht wie das Gewicht für sich allein existieren. Es gibt zwei Fälle, in denen eine Messung erforderlich ist:
- Zwischen verschiedenen Knoten eines Stromkreises oder Enden eines Leiters. 1 Volt ist das Potenzial, bei dem ein Strom von 1 Ampere 1 Watt Leistung erzeugt;
- Die elektrostatische Feldstärke wird zwischen zwei Feldpunkten gemessen. Eine Spannungseinheit, 1 Volt, ist das Potential, bei dem eine Ladung von 1 Coulomb 1 Joule Arbeit verrichtet.
Josephson-Effekt
Seit 1990 gibt es eine andere Definition der elektrischen Spannung. Sein Wert hängt mit dem Frequenznormal und der Cäsiumuhr zusammen. In diesem Fall wird der instationäre Josephson-Effekt genutzt: Wenn eine spezielle Matrix mit Strahlung mit einer Frequenz von 10-80 GHz bestrahlt wird, entsteht darauf ein Potential, dessen Wert nicht von den experimentellen Bedingungen abhängt.
RMS-Spannung
Die Größe des elektrischen Potenzials zwischen Abschnitten des Netzwerks wird durch die in einer bestimmten Zeit geleistete Wärmemenge oder Arbeit bestimmt. Dies gilt jedoch nur für Gleichstrom. Wechselspannung hat eine Sinusform. Bei der maximalen Amplitude ist sie maximal und beim Übergang von einer positiven Halbwelle zu einer negativen ist sie Null.
Daher wird für Berechnungen der Durchschnittswert verwendet, der als „Effektivwert“ bezeichnet wird und in Berechnungen einer Konstante mit demselben Wert gleichgesetzt wird.
Es weicht vom Maximum um das 1,4-fache oder √2 ab. Bei einem 220-V-Netz beträgt der Maximalwert 311 V. Dies ist wichtig bei der Auswahl von Kondensatoren, Dioden und anderen Elementen elektronischer Schaltkreise.
Spannungsbestimmung
Wie wird die Spannung gemessen? Dies geschieht mit einem speziellen Gerät – einem Voltmeter. Es kann ein anderes Design haben, digital oder zeigerartig sein, sein Widerstand sollte jedoch möglichst hoch und der Strom minimal sein. Dies ist notwendig, um den Einfluss des Geräts auf das Netzwerk und Verluste in den Leitungen von der Stromquelle zum Voltmeter zu minimieren.
Gleichstromnetz
Diese Messungen werden mit magnetoelektrischen Instrumenten durchgeführt. In letzter Zeit sind Geräte mit digitaler Anzeige weit verbreitet.
Am einfachsten ist es, das Gerät direkt an den Messort anzuschließen. Dies ist unter verschiedenen Voraussetzungen möglich:
- Die Messgrenze liegt über dem erwarteten Maximum. Ist dieser vor Beginn der Messung nicht bekannt, sollte der größte Grenzwert gewählt und sukzessive verringert werden;
- Achten Sie auf die Anschlusspolarität. Bei fehlerhafter Verbindung schlägt der Pfeil in die entgegengesetzte Richtung aus und die Digitalanzeige zeigt einen negativen Wert an.
Reicht die Messgrenze nicht aus, kann sie durch einen zusätzlichen Widerstand erweitert werden. Es kann extern oder intern sein. Sie können mehrere Widerstände verwenden und diese austauschen, um den Grenzwert des Geräts zu ändern. So funktioniert ein Multimeter.
Wechselstrom
Die Spannung wird in einem Wechselstromnetz mit Instrumenten aller Art gemessen, mit Ausnahme magnetoelektrischer Instrumente. Diese Geräte können nur verwendet werden, indem sie an den Ausgang des Gleichrichters angeschlossen werden.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Messgrenze zu erhöhen. Dazu wird zusätzlich eines der Geräte mit dem Gerät verbunden:
- zusätzlicher Widerstand;
- bei konstanter Netzfrequenz werden Kondensatoren anstelle von Widerständen verwendet;
- Die gebräuchlichste Möglichkeit ist die Verwendung eines Spannungswandlers.
Für Messgeräte und weiteres Zubehör gelten die gleichen Anforderungen wie für Gleichstromgeräte.
Allgemeine Informationen. In der Praxis besteht häufig die Notwendigkeit, Spannungen zu messen. In Strom- und Funkkreisen und -geräten wird am häufigsten die Spannung von Gleich- und Wechselstrom (sinusförmig und gepulst) gemessen.
Gleichspannung (Abb. 3.5, A) wird ausgedrückt als . Die Quellen dieser Spannung sind Gleichstromgeneratoren und chemische Stromversorgungen.
Reis. 3.5. Spannungszeitdiagramme: Gleichstrom (a), sinusförmiger Wechselstrom (b) und gepulster Wechselstrom (c).
Sinusförmige Wechselstromspannung (Abb. 3.5, B) wird ausgedrückt als 
und wird durch quadratische Mittelwerte und Amplitudenwerte charakterisiert:
Die Quellen dieser Spannung sind Nieder- und Hochfrequenzgeneratoren sowie das Stromnetz.
Wechselstrom-Impulsstromspannung (Abb. 3.5 V) ist durch Amplituden- und Durchschnittsspannungswerte (konstante Komponente) gekennzeichnet. Die Quelle dieser Spannung sind Impulsgeneratoren mit Signalen unterschiedlicher Form.
Die grundlegende Maßeinheit für Spannung ist das Volt (V).
In der Praxis elektrischer Messungen werden häufig Teil- und Vielfacheinheiten verwendet:
Kilovolt (1 kV - V);
Millivolt (1 mV - V);
Mikrovolt (1 µV - V).
Internationale Bezeichnungen der Spannungseinheiten sind in Anhang 1 aufgeführt.
In der Katalogklassifizierung werden elektronische Voltmeter wie folgt bezeichnet: B1 – vorbildlich, B2 – Gleichstrom, VZ – sinusförmiger Wechselstrom, B4 – gepulster Wechselstrom, B5 – phasenempfindlich, B6 – selektiv, B7 – universell.
Auf den Skalen analoger Anzeigegeräte und auf den Frontplatten (an Endschaltern) in- und ausländischer elektronischer und elektromechanischer Voltmeter werden folgende Bezeichnungen verwendet: V – Voltmeter, kV – Kilovoltmeter, mV – Millivoltmeter, V – Mikrovoltmeter.
Gleichspannungsmessung. Zur Messung der Gleichspannung werden elektromechanische Voltmeter und Multimeter, elektronische analoge und digitale Voltmeter sowie elektronische Oszilloskope verwendet.
Elektromechanische Voltmeter Die direkte Auswertung des Messwertes stellt eine große Klasse analoger Geräte dar und bietet folgende Vorteile:
Fähigkeit, ohne Anschluss an eine Stromquelle zu arbeiten;
Kleine Gesamtabmessungen;
Niedrigerer Preis (im Vergleich zu elektronischen);
Einfaches Design und einfache Bedienung.
Am häufigsten werden bei elektrischen Messungen in Hochstromkreisen Voltmeter verwendet, die auf elektromagnetischen und elektrodynamischen Systemen basieren, und in Schwachstromkreisen wird ein magnetoelektrisches System verwendet. Da es sich bei allen oben genannten Systemen selbst um Strommesser (Amperemeter) handelt, ist es zur Erstellung darauf basierender Voltmeter erforderlich, den Innenwiderstand des Geräts zu erhöhen, d.h. einen zusätzlichen Widerstand in Reihe mit dem Messwerk schalten (Abb. 3.6, A).
Das Voltmeter wird parallel an den zu prüfenden Stromkreis angeschlossen (Abb. 3.6, B), und seine Eingangsimpedanz muss groß genug sein.
Um den Messbereich des Voltmeters zu erweitern, wird zusätzlich ein zusätzlicher Widerstand verwendet, der in Reihe zum Gerät geschaltet wird (Abb. 3.6, V).
Der Widerstandswert des Zusatzwiderstandes ergibt sich aus der Formel:
 |
Reis. 3.6. Schema zum Erstellen eines Voltmeters basierend auf einem Amperemeter ( A), Anschließen des Voltmeters an die Last ( 6 ), Anschließen eines zusätzlichen Widerstands an ein Voltmeter ( V)
(3.8)
Wo ist eine Zahl, die angibt, wie oft sich die Messgrenze des Voltmeters ausdehnt:
wo ist die ursprüngliche Messgrenze;
— neue Messgrenze.
Zusätzliche Widerstände, die im Inneren des Gerätekörpers platziert werden, werden als intern bezeichnet, während diejenigen, die von außen an das Gerät angeschlossen werden, als extern bezeichnet werden. Voltmeter können Mehrbereichsmessgeräte sein. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Messgrenze und dem Innenwiderstand eines Multi-Limit-Voltmeters: Je größer die Messgrenze, desto größer der Widerstand des Voltmeters.
Elektromechanische Voltmeter haben folgende Nachteile:
Begrenzter Spannungsmessbereich (auch bei Mehrbereichsvoltmetern);
Niedriger Eingangswiderstand, daher hoher interner Stromverbrauch der untersuchten Schaltung.
Diese Nachteile elektromechanischer Voltmeter bestimmen den bevorzugten Einsatz elektronischer Voltmeter zur Spannungsmessung in der Elektronik.
Elektronische analoge DC-Voltmeter gebaut nach dem in Abb. gezeigten Schema. 3.7. Das Eingabegerät besteht aus einem Emitterfolger (zur Erhöhung des Eingangswiderstands) und einem Dämpfungsglied – einem Spannungsteiler.
Die Vorteile elektronischer Analogvoltmeter gegenüber analogen Voltmetern liegen auf der Hand:
Reis. 3.7. Blockschaltbild eines elektronischen analogen DC-Voltmeters
Großer Spannungsmessbereich;
Großer Eingangswiderstand, daher geringer Eigenstromverbrauch der untersuchten Schaltung;
Hohe Empfindlichkeit aufgrund des Vorhandenseins eines Verstärkers am Eingang des Geräts;
Unmöglichkeit von Überlastungen.
Elektronische Analogvoltmeter haben jedoch eine Reihe von Nachteilen:
Verfügbarkeit von Stromquellen, größtenteils stabilisiert;
Der reduzierte relative Fehler ist größer als bei elektromechanischen Voltmetern (2,5-6 %);
Großes Gewicht und große Abmessungen, höherer Preis.
Derzeit sind analoge elektronische DC-Voltmeter nicht weit verbreitet, da ihre Parameter denen digitaler Voltmeter deutlich unterlegen sind.
Wechselspannungsmessung.
Zur Messung der Wechselspannung werden elektromechanische Voltmeter und Multimeter, elektronische analoge und digitale Voltmeter sowie elektronische Oszilloskope verwendet.
Betrachten wir kostengünstige und ziemlich genaue elektromechanische Voltmeter. Es empfiehlt sich, dies in Frequenzbereichen durchzuführen.
Bei Industriefrequenzen von 50, 100, 400 und 1000 Hz werden häufig Voltmeter elektromagnetischer, elektrodynamischer, ferrodynamischer, Gleichrichter-, elektrostatischer und thermoelektrischer Systeme eingesetzt.
Bei niedrigen Frequenzen (bis zu 15-20 kHz) werden Voltmeter von Gleichrichter-, elektrostatischen und thermoelektrischen Systemen verwendet.
Bei hohen Frequenzen (bis zu einigen zehn Megahertz) werden Geräte elektrostatischer und thermoelektrischer Systeme verwendet.
Für elektrische Messungen werden häufig Universalinstrumente – Multimeter – verwendet.
Multimeter(Tester, Ampere-Volt-Ohmmeter, kombinierte Geräte) ermöglichen die Messung vieler Parameter: Gleich- und Wechselstromstärke, Gleich- und Wechselstromspannung, Widerstandswiderstand, Kondensatorkapazität (nicht alle Geräte), einige statische Parameter von Transistoren mit geringer Leistung (, , Und ).
Multimeter sind mit analoger und digitaler Anzeige erhältlich.
Die weit verbreitete Verwendung von Multimetern erklärt sich aus folgenden Vorteilen:
Multifunktionalität, d.h. Einsatzmöglichkeiten als Amperemeter, Voltmeter, Ohmmeter, Faradometer, Messgeräte für Parameter von Transistoren mit geringer Leistung:
Große Auswahl an gemessenen Parametern aufgrund des Vorhandenseins mehrerer Messgrenzen für jeden Parameter;
Einsatzmöglichkeit als tragbare Geräte, da keine Netzstromversorgung vorhanden;
Geringes Gewicht und geringe Abmessungen;
Vielseitigkeit (die Fähigkeit, Wechsel- und Gleichströme und -spannungen zu messen),
Multimeter haben auch eine Reihe von Nachteilen:
Enger Frequenzbereich der Anwendbarkeit;
Großer Eigenstromverbrauch aus dem 1. untersuchten Stromkreis;
Großer reduzierter Fehler für analoge (1,5, 2,5 und 4) und digitale Multimeter;
Inkonsistenz des Innenwiderstands bei unterschiedlichen Grenzwerten 4 von Strom- und Spannungsmessungen.
Gemäß der inländischen Katalogklassifizierung werden Multimeter mit Ts43 und anschließend mit der Modellnummer bezeichnet, beispielsweise Ts4352.
Um den Innenwiderstand eines Analogmultimeters an der enthaltenen Messgrenze zu ermitteln, kann der spezifische Widerstand im Gerätepass 1 angegeben werden. Im Pass des Ts4341-Testers ist beispielsweise der spezifische Widerstand = 16,7 kOhm/V, die Messgrenzen für Gleichspannung liegen bei 1,5 – 3 – 6 – 15 V.
In diesem Fall wird der Widerstand des Multimeters an der Grenze von 6 V DC durch die Formel bestimmt:
Der Gerätepass kann die Informationen enthalten, die zur Berechnung des Widerstands nach dem Ohmschen Gesetz erforderlich sind.
Wenn der Tester als Voltmeter verwendet wird, wird sein Eingangswiderstand durch die Formel bestimmt:
wo ist die gewählte Messgrenze;
Der aktuelle Wert im ausgewählten Grenzwert (angegeben auf der Rückseite des Geräts oder in seinem Reisepass).
Wenn der Tester als Amperemeter verwendet wird, wird sein Eingangswiderstand durch die Formel bestimmt:
Wo ist die ausgewählte Messgrenze;
— Spannungswert, der auf der Rückseite des Geräts oder im Datenblatt angegeben ist.
Der Pass des Ts4341-Testers zeigt beispielsweise einen Spannungsabfall am Gerät von 0,3 V im Bereich von 0,06 – 0,6 – 6 – 60 – 600 mA DC und einen Spannungsabfall von 1,3 V im Bereich: 0,3 - 3 - 30 - 300 mA Wechselstrom. Die Eingangsimpedanz des Multimeters liegt bei 3 mA AC
Elektronische analoge Wechselspannungsmessgeräte sind nach einem der Blockschaltbilder (Abb. 3.8) aufgebaut, die sich in der Reihenfolge der Anordnung der Hauptblöcke – des Verstärkers und des Wandlers (Detektors) von Wechselspannung in Gleichspannung – unterscheiden. Die Eigenschaften dieser Voltmeter hängen maßgeblich von der gewählten Schaltung ab.
Reis. 3.8. Blockschaltbilder elektronischer Analogvoltmeter des Wechselstromtyps U-D ( A) und Typ D-U (B)
Voltmeter der ersten Gruppe – Verstärker-Detektor-Typ (A-D) – weisen eine hohe Empfindlichkeit auf, die mit dem Vorhandensein eines zusätzlichen Verstärkers verbunden ist. Daher sind alle Mikro- und Millivoltmeter nach der V-D-Schaltung aufgebaut. Allerdings ist der Frequenzbereich solcher Voltmeter nicht breit (bis zu mehreren Megahertz), da der Aufbau eines breitbandigen Wechselstromverstärkers mit gewissen Schwierigkeiten verbunden ist. Voltmeter vom Typ U-D werden als nicht universell (VZ-Untergruppe) klassifiziert, d. h. kann nur Wechselspannung messen.
Voltmeter der zweiten Gruppe – vom Typ Detektor-Verstärker (D-A) – haben einen großen Frequenzbereich (bis zu mehreren Gigahertz) und eine geringe Empfindlichkeit. Voltmeter dieses Typs sind universell (Untergruppe B7), d. h. Messen Sie die Spannung nicht nur von Wechselstrom, sondern auch von Gleichstrom. kann die Spannung auf einem signifikanten Niveau messen, da es nicht schwierig ist, mit CNTs eine hohe Verstärkung bereitzustellen.
Bei beiden Arten von Voltmetern übernehmen Wandler von Wechselspannung in Gleichspannung eine wichtige Funktion – Detektoren, die basierend auf der Funktion der Umwandlung der Eingangsspannung in die Ausgangsspannung in drei Typen eingeteilt werden können: Amplitude, Effektivwert und gleichgerichteter Effektivwert .
Die Eigenschaften des Gerätes hängen maßgeblich von der Art des Detektors ab. Voltmeter mit Amplitudenwertdetektor sind die Geräte mit der höchsten Frequenz; Mit Voltmetern mit RMS-Wert-Detektor können Sie Wechselspannungen jeder Form messen; Voltmeter mit einem gleichgerichteten Mittelwertdetektor eignen sich zur Messung der Spannung nur eines harmonischen Signals und sind die einfachsten, zuverlässigsten und kostengünstigsten.
Amplitudenwertdetektor ist ein Gerät, dessen Ausgangsspannung dem Amplitudenwert des gemessenen Signals entspricht, was durch die Speicherung der Spannung am Kondensator gewährleistet wird.
Damit der reale Lastkreis eines Detektors das Nutzsignal wirksam filtert und unerwünschte hochfrequente Oberwellen unterdrückt, muss folgende Bedingung erfüllt sein:
Oder , (3.12)
wo ist die Kapazität des Ausgangsfilters;
— Lastwiderstand des Detektors.
Die zweite Voraussetzung für einen guten Detektorbetrieb:
Abbildung 3.9 zeigt das Blockschaltbild und die Zeitdiagramme der Ausgangsspannung des Amplitudenwertdetektors mit parallel geschalteter Diode und geschlossenem Eingang. Bei einem Detektor mit geschlossenem Eingang ist ein Kondensator in Reihe geschaltet, der den Gleichstromanteil nicht durchlässt. Betrachten wir die Funktionsweise eines solchen Detektors, wenn an seinen Eingang eine sinusförmige Spannung angelegt wird .
Reis. 3.9. Blockschaltbild eines Amplitudenwertdetektors mit Parallelschaltung einer Diode und einem geschlossenen Eingang (A) und Spannungs-Timing-Diagramme (B) Wenn eine positive Halbwelle einer Sinuswelle ankommt, wird der Kondensator MIT Die Ladung erfolgt über eine VD-Diode, die im geöffneten Zustand einen niedrigen Widerstand aufweist.
Die Ladezeitkonstante des Kondensators ist klein und der Kondensator lädt sich schnell auf seinen Maximalwert auf . Wenn sich die Polarität des Eingangssignals ändert, wird die Diode geschlossen und der Kondensator langsam über den Lastwiderstand entladen, der groß gewählt ist - 50-100 MOhm.
Somit ist die Entladekonstante deutlich größer als die Periode des Sinussignals. Dadurch bleibt der Kondensator auf eine Spannung nahe geladen 
.
Die Spannungsänderung am Lastwiderstand wird durch die Differenz der Amplituden der Eingangsspannung und der Spannung am Kondensator bestimmt 
.Dadurch pulsiert die Ausgangsspannung mit der doppelten Amplitude der gemessenen Spannung (siehe Abb. 3.9, B).
Dies wird durch die folgenden mathematischen Berechnungen bestätigt:
bei , , bei , bei .
Um den konstanten Anteil des Signals zu isolieren, ist der Detektorausgang mit einem kapazitiven Filter verbunden, der alle anderen Stromharmonischen unterdrückt.
Basierend auf dem Vorstehenden folgt die Schlussfolgerung: Je kürzer die Periode des untersuchten Signals (je höher seine Frequenz), desto genauer ist die Gleichheit erfüllt , was die Hochfrequenzeigenschaften des Detektors erklärt. Bei der Verwendung von Voltmetern mit Amplitudenwertdetektor ist zu beachten, dass diese Geräte meist auf den Effektivwert des Sinussignals kalibriert werden, d. h. die Messwerte des Geräteindikators sind gleich dem Quotienten des Amplitudenwertes dividiert durch den Amplitudenfaktor der Sinuskurve:
Wo ist der Amplitudenfaktor?
RMS-Detektor(Abb. 3.10) wandelt Wechselspannung in Gleichspannung um, proportional zum Quadrat des Effektivwerts der gemessenen Spannung. Daher erfordert die Messung der Effektivspannung die Durchführung von drei Vorgängen: Quadrieren des Momentanwerts des Signals, Mitteln seines Werts und Ziehen der Wurzel aus dem Mittelungsergebnis (der letzte Vorgang wird durch die Kalibrierung der Voltmeterskala sichergestellt). Die Quadrierung des momentanen Signalwertes erfolgt üblicherweise durch eine Diodenzelle unter Ausnutzung des quadratischen Anteils ihrer Kennlinie.
Reis. 3.10. RMS-Detektor: A - Diodenzelle; B— CVC der Diode
In der Diodenzelle VD R1(siehe Abb. 3.10, A) An die Diode VD wird eine konstante Spannung angelegt, so dass sie solange geschlossen bleibt, wie die gemessene Spannung () am Widerstand ansteigt R2 wird den Wert nicht überschreiten .
Der Anfangsabschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode ist kurz (siehe Abb. 3.10, B), Daher wird der quadratische Teil durch das stückweise lineare Näherungsverfahren durch Verwendung mehrerer Diodenzellen künstlich verlängert.
Beim Entwurf von RMS-Voltmetern treten Schwierigkeiten auf, einen breiten Frequenzbereich bereitzustellen. Trotzdem sind solche Voltmeter am beliebtesten, da sie Spannungen jeder komplexen Form messen können.
Gleichgerichteter Mittelwertdetektor Wandelt Wechselspannung in Gleichspannung um, die proportional zum durchschnittlichen gleichgerichteten Spannungswert ist. Der Ausgangsstrom eines Messgerätes mit einem solchen Detektor ähnelt dem Ausgangsstrom des Gleichrichtersystems.
Wechselspannungen in elektronischen Geräten können sich im Laufe der Zeit aufgrund verschiedener Gesetze ändern. Beispielsweise variiert die Spannung am Ausgang des Hauptoszillators eines angeschlossenen Rundfunksenders nach einem Sinusgesetz, am Ausgang eines Oszilloskop-Sweep-Generators haben die Impulse eine Sägezahnform und die Synchronimpulse eines kompletten Fernsehsignals sind rechteckig .
In der Praxis ist es erforderlich, Messungen in verschiedenen Stromkreisabschnitten durchzuführen, deren Spannungen sich in Wert und Form unterscheiden können. Die Messung nicht-sinusförmiger Spannung hat ihre eigenen Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen, um Fehler zu vermeiden.
Es ist sehr wichtig, den richtigen Gerätetyp und die Methode zur Umrechnung der Voltmeterwerte in den Wert des erforderlichen Parameters der gemessenen Spannung auszuwählen. Dazu müssen Sie genau verstehen, wie Wechselspannungen bewertet und verglichen werden und wie sich die Form der Spannung auf die Werte der Koeffizienten auswirkt, die einzelne Spannungsparameter in Beziehung setzen.
Das Kriterium zur Beurteilung einer Wechselspannung jeglicher Form ist der Zusammenhang mit der entsprechenden Gleichspannung bei gleicher thermischer Wirkung (Effektivwert). U), durch den Ausdruck definiert
(3.14)
wo ist die Signalwiederholungsperiode;
- eine Funktion, die das Gesetz der Änderung des momentanen Spannungswerts beschreibt. Nicht immer ist es für den Bediener möglich, über ein Voltmeter zu verfügen, mit dem er den gewünschten Spannungsparameter messen kann. In diesem Fall wird der erforderliche Spannungsparameter indirekt mit einem vorhandenen Voltmeter unter Verwendung von Scheitel- und Formkoeffizienten gemessen. Betrachten wir ein Beispiel für die Berechnung der notwendigen Parameter einer Sinusspannung.
Es ist notwendig, die Amplitude zu bestimmen () und die mittleren gleichgerichteten () Werte der Sinusspannung mit einem Voltmeter, kalibriert in den Effektivwerten der Sinusspannung, wenn das Gerät anzeigte.
Wir führen die Berechnung wie folgt durch. Da das Voltmeter in Effektivwerten kalibriert ist , dann entspricht in Anhang 3 für dieses Gerät der Messwert von 10 V einem direkten Messwert auf der Effektivwertskala, d. h.
Die Wechselspannung wird durch Durchschnitts-, Amplituden- (Maximum-) und Effektivwertwerte charakterisiert.
Mittlere Bedeutung(Konstantanteil) für eine Wechselspannungsperiode:
(3.15)
Höchster Wert ist der größte Momentanwert der Wechselspannung während der Signalperiode:
Durchschnittlicher korrigierter Wert - Dies ist die durchschnittliche Spannung am Ausgang eines Vollweggleichrichters, an dessen Eingang eine Wechselspannung anliegt :
(3.17)
Das Verhältnis des quadratischen Mittelwerts, des Durchschnitts- und des Maximalwerts der Wechselspannung hängt von ihrer Form ab und wird im Allgemeinen durch zwei Koeffizienten bestimmt:
(Amplitudenfaktor), (3.18)
(Formfaktor). (3.19)
Die Werte dieser Koeffizienten für Spannungen unterschiedlicher Form und ihre Verhältnisse sind in der Tabelle angegeben. 3.1
Tabelle 3.1
Werte und für Spannungen unterschiedlicher Form
 |
Notiz, - Auslastungsgrad: .
Bei einer Reihe von Geräten wird die Spannung nicht in absoluten Einheiten (V, mV, µV), sondern in einer relativen logarithmischen Einheit – Dezibel (dB oder dB) – bewertet. Um den Übergang von absoluten Einheiten zu relativen Einheiten und umgekehrt zu vereinfachen, verfügen die meisten analogen Voltmeter (eigenständig und in andere Geräte eingebaut: Generatoren, Multimeter, nichtlineare Verzerrungsmesser) neben der üblichen auch über eine Dezibelskala. Diese Skala zeichnet sich durch eine klar definierte Nichtlinearität aus, die es bei Bedarf ermöglicht, das Ergebnis sofort in Dezibel zu erhalten, ohne entsprechende Berechnungen und die Verwendung von Umrechnungstabellen. Am häufigsten entspricht die Null-Dezibel-Skala bei solchen Geräten einer Eingangsspannung von 0,775 V.
Eine Spannung, die über dem herkömmlichen Nullwert liegt, wird durch positive Dezibel gekennzeichnet, eine Spannung, die unter diesem Wert liegt, ist negativ. Am Grenzschalter unterscheidet sich jeder Messteilbereich im Pegel um 10 dB vom benachbarten, was einem Spannungsfaktor von 3,16 entspricht. Die auf der Dezibel-Skala ermittelten Messwerte werden algebraisch zu den Messwerten am Messgrenzschalter addiert und nicht wie bei absoluten Spannungsmesswerten multipliziert.
Beispielsweise ist der Grenzwertschalter auf „- 10 dB“ eingestellt, während der Anzeigepfeil auf „- 0,5 dB“ eingestellt ist. Der Gesamtpegel beträgt: ---- 10 + (- 0,5) = - 10,5 dB, und die Grundlage für die Umrechnung der Spannung von absoluten Werten in relative Werte ist die Formel
(3.20)
Wobei = 0,775 V.
Da Bel eine große Einheit ist, wird in der Praxis ein Bruchteil (Zehntel) von Bel verwendet – Dezibel.
Impuls- und Digitalvoltmeter. Bei der Messung von Impulsspannungen mit kleiner Amplitude kommt eine vorläufige Impulsverstärkung zum Einsatz. Das Blockschaltbild eines analogen Impulsvoltmeters (Abb. 3.11) besteht aus einer Fernsonde mit Emitterfolger, einem Dämpfungsglied, einem Breitbandvorverstärker, einem Amplitudenwertdetektor, einem Gleichstromverstärker (DCA) und einem elektromechanischen Anzeiger. Nach diesem Schema implementierte Voltmeter messen direkt Spannungen von 1 mV – 3 V mit einem Fehler von ± (4 – 10) %, einer Impulsdauer von 1 – 200 μs und einem Tastverhältnis von 100 … 2500.
Reis. 3.11.t Blockschaltbild eines Impulsvoltmeters
Zur Messung kleiner Spannungen über einen weiten Zeitbereich (von Nanosekunden bis Millisekunden) werden Voltmeter verwendet, die nach dem Autokompensationsverfahren arbeiten.
Elektronische Digitalvoltmeter haben gegenüber analogen erhebliche Vorteile:
Hohe Messgeschwindigkeit;
Eliminierung der Möglichkeit subjektiver Bedienerfehler;
Kleiner reduzierter Fehler.
Aufgrund dieser Vorteile werden digitale elektronische Voltmeter häufig für Messzwecke eingesetzt. Abbildung 3.12 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Digitalvoltmeters.
Reis. 3.12. Vereinfachtes Blockdiagramm eines digitalen Voltmeters
Eingabegerät Entwickelt, um einen großen Eingangswiderstand zu erzeugen, Messgrenzen auszuwählen, Störungen zu reduzieren und automatisch die Polarität der gemessenen Gleichspannung zu bestimmen. Bei AC-Voltmetern umfasst das Eingabegerät auch einen AC-DC-Spannungswandler.
Vom Ausgang des Eingabegeräts wird die gemessene Spannung zugeführt Analog-Digital-Wandler(ADC), bei dem die Spannung in ein digitales (diskretes) Signal in Form eines elektrischen Codes oder von Impulsen umgewandelt wird, deren Anzahl proportional zur gemessenen Spannung ist. Das Ergebnis erscheint auf der Anzeigetafel digitale Anzeige. Der Betrieb aller Blöcke wird gesteuert Kontrollgerät.
Digitale Voltmeter werden je nach ADC-Typ in vier Gruppen eingeteilt: Impulscode, Zeitimpuls, Impulsfrequenz, Ortskodierung.
Derzeit weit verbreitet Digitale Zeitimpuls-Voltmeter , Deren Wandler führen eine Zwischenumwandlung der gemessenen Spannung in ein proportionales Zeitintervall durch, das mit Impulsen mit bekannter Folgefrequenz gefüllt ist. Durch diese Transformation hat das diskrete Signal der Messinformation am Eingang des ADC die Form eines Pakets von Zählimpulsen, deren Anzahl proportional zur gemessenen Spannung ist.
Der Fehler von Zeitimpulsvoltmetern wird durch den Abtastfehler des gemessenen Signals, die Instabilität der Zählimpulsfrequenz, das Vorhandensein einer Empfindlichkeitsschwelle der Vergleichsschaltung und die Nichtlinearität der umgewandelten Spannung am Eingang des Vergleichs bestimmt Schaltkreis.
Beim Aufbau von Zeitimpuls-Voltmetern gibt es mehrere Möglichkeiten für schaltungstechnische Lösungen. Betrachten wir das Funktionsprinzip eines Impulsvoltmeters mit einem linear variierenden Spannungsgenerator (GLIN).
Abbildung 3.13 zeigt ein Blockdiagramm eines digitalen Zeitimpuls-Voltmeters mit GLIN und Zeitdiagrammen, die seinen Betrieb erläutern.
Das diskrete Messinformationssignal am Ausgang des Wandlers hat die Form eines Pakets von Zählimpulsen, deren Anzahl proportional zum Wert der Eingangsspannung ist . Vom Ausgang von GLIN wird den Eingängen 1 der Vergleichsgeräte eine zeitlich linear ansteigende Spannung zugeführt. Der Eingang 2 des Vergleichsgerätes II ist mit dem Gehäuse verbunden.
Im Moment der Gleichheit erscheint am Eingang des Vergleichsgeräts II und an seinem Ausgang ein Impuls, der dem einzelnen Eingang des Triggers (T) zugeführt wird, wodurch an seinem Ausgang ein Signal erscheint. Der Auslöser kehrt durch einen Impuls vom Ausgang des Vergleichsgeräts II in seine ursprüngliche Position zurück. Dieses Signal erscheint im Moment der Gleichheit der linear ansteigenden Spannung mit der gemessenen. Das so erzeugte Signal hat eine Dauer (wobei — Der Konvertierungskoeffizient) wird dem Eingang 1 der logischen UND-Multiplikationsschaltung zugeführt und Eingang 2 erhält ein Signal vom Zählimpulsgenerator (CPG). Die Impulse folgen mit einer Frequenz. Ein Impulssignal entsteht, wenn an beiden Eingängen Impulse anliegen, d.h. Zählimpulse passieren, wenn am Triggerausgang ein Signal anliegt.
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Reis. 3.13. Strukturschema (A) und Zeitdiagramme (B) Digitales Zeitimpuls-Voltmeter mit GLIN
Der Impulszähler zählt die Anzahl der durchlaufenen Impulse (unter Berücksichtigung des Umrechnungsfaktors). Das Messergebnis wird auf der Digitalanzeigeplatine (DI) angezeigt. Die angegebene Formel berücksichtigt nicht den Diskretheitsfehler aufgrund der Diskrepanz zwischen dem Auftreten von Zählimpulsen und dem Beginn und Ende des Intervalls
Darüber hinaus führt der Nichtlinearitätsfaktor des Konvertierungskoeffizienten zu einem großen Fehler . Daher sind digitale Zeitimpuls-Voltmeter mit GLIN die ungenauesten unter den digitalen Voltmetern.
Digitale Voltmeter mit doppelter Integration unterscheiden sich von Zeitimpuls-Voltmetern im Funktionsprinzip. In ihnen werden während des Messzyklus zwei Zeitintervalle gebildet – und . Im ersten Intervall ist die Integration der gemessenen Spannung gewährleistet , im zweiten - die Referenzspannung. Die Messzykluszeit ist als Vielfaches der Periode des am Eingang wirkenden Rauschens voreingestellt, was zu einer verbesserten Störfestigkeit des Voltmeters führt.
Abbildung 3.14 zeigt ein Blockdiagramm eines digitalen Voltmeters mit doppelter Integration und Zeitdiagramme, die seinen Betrieb erläutern.
Reis. 3.14. Strukturschema (A) und Zeitdiagramme (6) Digitalvoltmeter mit doppelter Integration
Bei (im Moment des Beginns der Messung) erzeugt das Steuergerät einen kalibrierten Impuls mit einer bestimmten Dauer
, (3.21) stellt den Schalter auf Position 2 und die Referenzspannungsquelle (VS) wird dem Integrator zugeführt; die negative Referenzspannung wird gleich Null, das Vergleichsgerät erzeugt ein Signal, das an den Auslöser gesendet wird, und setzt diesen auf seinen ursprünglichen Wert zurück Zustand. Am Ausgang des Triggers wird ein Spannungsimpuls erzeugt
; ; 
(3.25)
Aus den erhaltenen Beziehungen folgt, dass der Fehler im Messergebnis nur von der Höhe der Referenzspannung abhängt und nicht von mehreren Parametern (wie bei einem Pulscode-Voltmeter), hier liegt jedoch auch ein Diskretheitsfehler vor.
Die Vorteile eines Voltmeters mit Doppelintegration sind eine hohe Störfestigkeit und eine höhere Genauigkeitsklasse (0,005-0,02 %) im Vergleich zu Voltmetern mit GLIN.
Digitale Voltmeter mit eingebautem Mikroprozessor sind kombiniert und gehören zu den Voltmetern der höchsten Genauigkeitsklasse. Ihr Funktionsprinzip basiert auf den Methoden des bitweisen Ausgleichs und der zeitimpulsintegrierenden Transformation.
Der Mikroprozessor und zusätzliche Wandler, die in der Schaltung eines solchen Voltmeters enthalten sind, erweitern die Fähigkeiten des Geräts und machen es universell für die Messung einer Vielzahl von Parametern. Solche Voltmeter messen Gleich- und Wechselspannung, Stromstärke, Widerstandswiderstand, Schwingfrequenz und andere Parameter. In Verbindung mit einem Oszilloskop können sie Zeitparameter messen: Periode, Impulsdauer usw. Das Vorhandensein eines Mikroprozessors im Voltmeter-Schaltkreis ermöglicht die automatische Korrektur von Messfehlern, Fehlerdiagnose und automatische Kalibrierung.
Abbildung 3.15 zeigt ein Blockschaltbild eines digitalen Voltmeters mit eingebautem Mikroprozessor.
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Reis. 3.15. Blockschaltbild eines Digitalvoltmeters mit eingebautem Mikroprozessor
Mithilfe geeigneter Wandler wandelt die Signalnormalisierungseinheit die eingegebenen Messparameter (97 Seiten) in ein einheitliches Signal um, das am Eingang des ADC ankommt, der die Umwandlung mithilfe der Methode der doppelten Integration durchführt. Die Auswahl des Voltmeter-Betriebsmodus für eine bestimmte Messart erfolgt durch das ADC-Steuergerät mit Display. Der gleiche Block stellt die erforderliche Konfiguration des Messsystems bereit.
Der Mikroprozessor ist die Basis der Steuereinheit und ist über Schieberegister mit anderen Einheiten verbunden. Die Steuerung des Mikroprozessors erfolgt über die Tastatur am Bedienfeld. Die Verwaltung kann auch über eine Standardschnittstelle eines angeschlossenen Kommunikationskanals erfolgen. Der Nur-Lese-Speicher (ROM) speichert das Betriebsprogramm des Mikroprozessors, das mithilfe eines Arbeitsspeichers (RAM) implementiert wird.
Eingebaute hochstabile und genaue ohmsche Referenzspannungsteiler, ein Differenzverstärker (DA) und eine Reihe externer Elemente (Dämpfungsglied, Moduswähler, Referenzspannungseinheit). ) direkte Messungen durchführen. Alle Blöcke werden durch Signale vom Taktgenerator synchronisiert.
Die Einbeziehung eines Mikroprozessors und einer Reihe zusätzlicher Wandler in den Voltmeter-Schaltkreis ermöglicht eine automatische Fehlerkorrektur, automatische Kalibrierung und Fehlerdiagnose.
Die Hauptparameter digitaler Voltmeter sind Wandlungsgenauigkeit, Wandlungszeit, Grenzen für die Änderung des Eingangswerts und Empfindlichkeit.
Konvertierungsgenauigkeit wird durch den Pegelquantisierungsfehler bestimmt, der durch die Anzahl der Bits im Ausgabecode gekennzeichnet ist.
Der Fehler eines Digitalvoltmeters besteht aus zwei Komponenten. Die erste Komponente (multiplikativ) hängt vom Messwert ab, die zweite Komponente (additiv) ist nicht vom Messwert abhängig.
Diese Darstellung ist mit dem diskreten Prinzip der Messung einer analogen Größe verbunden, da beim Quantisierungsprozess aufgrund einer endlichen Anzahl von Quantisierungsstufen ein absoluter Fehler entsteht. Der absolute Fehler der Spannungsmessung wird ausgedrückt als
Zeichen) oder (Zeichen), (3.27)
wo ist der tatsächliche relative Messfehler;
— der Wert der gemessenen Spannung;
— Endwert an der gewählten Messgrenze;
T Zeichen – der Wert, der durch die Einheit der niedrigstwertigen Ziffer des CI bestimmt wird (additiver Diskretheitsfehler). Der wesentliche tatsächliche relative Messfehler kann in einer anderen Form dargestellt werden:
(3.2)
Wo a, b - konstante Zahlen, die die Genauigkeitsklasse des Geräts charakterisieren.
Erster Fehlerbegriff (A) hängt nicht von den Instrumentenwerten ab, und der zweite (B) nimmt zu, wenn es abnimmt .
Umwandlungszeit ist die Zeit, die benötigt wird, um eine Umwandlung eines analogen Werts in einen digitalen Code abzuschließen.
Grenzen der Änderung des Eingabewerts — Dies sind die Transformationsbereiche des Eingabewerts, die vollständig durch die Anzahl der Ziffern und das „Gewicht“ der kleinsten Ziffer bestimmt werden.
Empfindlichkeit(Auflösung) ist die kleinste vom Wandler erkennbare Wertänderung der Eingangsgröße.
Zu den wichtigsten messtechnischen Eigenschaften von Voltmetern, die Sie kennen müssen, um ein Gerät richtig auszuwählen, gehören die folgenden Eigenschaften:
Parameter der gemessenen Spannung (Effektivwert, Amplitude);
Spannungsmessbereich;
Frequenzbereich;
Zulässiger Messfehler;
Eingangsimpedanz() .
Diese Eigenschaften sind in der technischen Beschreibung und im Reisepass des Geräts angegeben.
Die meisten Menschen im Alltag können mit einem Konzept wie elektrischer Spannung umgehen. Fast jeder weiß, dass eine Haushaltssteckdose eine Spannung von 220 V hat und eine AA-Batterie nur eine Spannung von 1,5 V erzeugt. Gleichzeitig kann nicht jeder Absolvent eines Gymnasiums oder gar einer technischen Universität beantworten, was der Begriff elektrische Spannung eigentlich bedeutet. In diesem Material werden wir versuchen, diese Frage zu beantworten, möglichst ohne auf komplexe Mathematik zurückzugreifen.
Bestimmung der elektrischen Spannung
In Lehrbüchern der Physik und Elektrotechnik findet man unterschiedliche Definitionen der elektrischen Spannung. Eine davon klingt so: Die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten im Raum ist gleich der Potentialdifferenz des elektrischen Feldes an diesen Punkten. Mathematisch wird es so geschrieben:
U=φ_a-φ_b (1).
Dabei ist U die elektrische Spannung und φ_a und φ_b die elektrischen Feldpotentiale an den Punkten A bzw. B.
Wenn wir nicht wissen, wie hoch das elektrische Feldpotential an einem Punkt ist, trägt die obige Definition kaum zur Klärung der Frage bei, was elektrische Spannung ist. Unter dem Potential eines elektrischen Feldes an einem Punkt versteht man die Arbeit, die ein elektrisches Feld verrichtet, um eine Einheitsladung von einem bestimmten Punkt zu einem Punkt mit Nullpotential zu bewegen. Auf den ersten Blick erscheint die Bestimmung des elektrischen Potenzials recht kompliziert. Es ist beispielsweise nicht ganz klar, wo der Punkt des Nullpotenzials liegt.
Zunächst müssen Sie bedenken, dass es sich bei elektrischem Potenzial um die Übertragung einer Ladungseinheit handelt. Wenn wir uns Formel (1) zuwenden, wird klar, dass elektrische Spannung nichts anderes als die Differenz zweier Werke ist. Das heißt, elektrische Spannung hat auch Arbeit. Von hier aus kommen wir zur zweiten Definition. Die elektrische Spannung ist numerisch gleich der Arbeit für die Übertragung einer elektrischen Ladungseinheit von Punkt A nach Punkt B. Darüber hinaus sind φ_a und φ_b die potentielle Energie, die eine Ladungseinheit an den Punkten A bzw. B hat.
Um das oben Gesagte besser zu verstehen, kann die folgende Analogie gegeben werden. Jeder Körper, der sich in einiger Entfernung von der Erde befindet, verfügt über potentielle Energie. Um Ihren Körper höher zu heben, müssen Sie einige Arbeit leisten. Die Größe dieser Arbeit entspricht der Differenz der potentiellen Energien, die der Körper in verschiedenen Höhen besitzt. Ein ähnliches Bild sehen wir, wenn wir uns mit einem elektrischen Feld befassen.
Was den Punkt im Raum betrifft, an dem die elektrische Ladung das elektrische Potenzial Null hat, kann dieser Punkt in der Elektrizitätstheorie beliebig gewählt werden. Dies liegt daran, dass das elektrische Feld „Potenzial“ ist. Um diesen Begriff zu klären, müssen wir auf die höhere Mathematik zurückgreifen, aber wir haben uns entschieden, dies zu vermeiden. In der Praxis wählen Fachleute auf dem Gebiet der Elektrotechnik häufig die Erdoberfläche als Punkte mit Nullpotential. Und viele Messungen werden relativ dazu durchgeführt.
Elektrische Felder können konstant (über die Zeit unverändert) und variabel sein. Variable elektrische Felder können sich nach verschiedenen mathematischen Gesetzen ändern. In der Technik werden am häufigsten elektrische Wechselfelder verwendet, die sich nach dem Sinusgesetz ändern. Bei einem elektrischen Wechselfeld lässt sich der Momentanwert der Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten nach folgender Formel berechnen:
u(t)=U_m sin〖(ωt)〗 (2).
Dabei ist u der momentane Spannungswert; U m – maximaler Spannungswert; ω – Frequenz, t – Zeit.
Elektrische Spannungsmessung
Die elektrische Spannung wird mit Voltmetern gemessen. Um die Spannung (Potenzialdifferenz) in einem Abschnitt eines Stromkreises zu messen, werden die Voltmeter-Sonden an die Enden dieses Abschnitts angeschlossen und die Messwerte des Geräts auf einer Skala abgelesen.
Es gibt viele Arten von Voltmetern. Wir konzentrieren uns auf analoge Voltmeter mit magnetoelektrischem Messwerk. Diese Mechanismen werden häufig in Panelvoltmetern und multifunktionalen Messgeräten – Multimetern – verwendet. Der magnetoelektrische elektrische Mechanismus ist eine Drahtspule, die zwischen den Polen eines Magneten platziert ist. Die Spule ist an Spiralfedern aufgehängt, was eine hohe Empfindlichkeit des Geräts gewährleistet. Mit der Spule ist ein Indexpfeil verbunden, mit dessen Hilfe die Messwerte auf der Instrumentenskala abgelesen werden. Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau des magnetoelektrischen Mechanismus.
Magnetoelektrische Messwerke sind hochempfindlich. Mit ihrer Hilfe können Sie Spannungen im Hundertstel-Volt-Bereich messen. Um die Messgrenzen zu erweitern, werden zusätzliche Widerstände in Reihe mit dem Messwerk eingebaut. Die Schaltung eines einfachen Gleichstromvoltmeters ist in der Abbildung dargestellt.
Einer der wichtigsten Parameter eines Voltmeters ist sein Innenwiderstand. Je größer der Wert des Innenwiderstands des Voltmeters ist, desto geringer ist der Fehler beim Messvorgang. Bei analogen Voltmetern beträgt der Innenwiderstand typischerweise 20 kOhm pro Volt. Wenn ein höherer Widerstandswert erforderlich ist, werden zur Messung elektronische Voltmeter, digital oder analog, verwendet.
Zur Messung der Wechselspannung verfügen Voltmeter über Gleichrichter, die Wechselspannung in Gleichspannung umwandeln. Voltmeterskalen zur Messung von Wechselspannung werden üblicherweise in effektiven (effektiven) Spannungswerten kalibriert. Der Effektivwert des Wechselstroms hängt vom maximalen Folgeverhältnis ab.
U=1/√2 U_m=0,707U_m (3)
Der Effektivwert lässt sich gut zur Berechnung der Leistung eines Stromkreises verwenden. Wenn wir sagen, dass in einer Steckdose eine Spannung von 220 V anliegt, meinen wir konkret den effektiven Spannungswert.
In einem kurzen Artikel ist es schwierig, über alle Nuancen im Zusammenhang mit der elektrischen Spannung und Methoden zu ihrer Messung zu sprechen. Wir hoffen jedoch, dass der Text für den Leser nützlich sein wird.
Wird erreicht, wenn eine elektrische Testladung von einem Punkt übertragen wird A genau B, auf den Wert der Testgebühr.
In diesem Fall gilt die Übertragung der Prüfgebühr als erfolgt ändert sich nicht Verteilung der Ladungen auf Feldquellen (per Definition einer Testladung). In einem potentiellen elektrischen Feld hängt diese Arbeit nicht von der Bahn ab, auf der sich die Ladung bewegt. In diesem Fall stimmt die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten mit der Potentialdifferenz zwischen ihnen überein.
Alternative Definition -
Integral der Projektion des effektiven Feldes (einschließlich Fremdfelder) auf den Abstand zwischen Punkten A Und B entlang eines vorgegebenen Weges ausgehend von einem Punkt A genau B. In einem elektrostatischen Feld hängt der Wert dieses Integrals nicht vom Integrationsweg ab und stimmt mit der Potentialdifferenz überein.
Die SI-Einheit der Spannung ist das Volt.
Gleichspannung
Durchschnittliche Spannung
Der mittlere Spannungswert (konstanter Spannungsanteil) wird über die gesamte Schwingungsdauer ermittelt als:
Bei einer reinen Sinuswelle ist der durchschnittliche Spannungswert Null.
RMS-Spannung
Der quadratische Mittelwert (veraltete Bezeichnung: Strom, Effektiv) ist für praktische Berechnungen am praktischsten, da er bei linearer Wirklast die gleiche Arbeit leistet (z. B. hat eine Glühlampe die gleiche Helligkeit, ein Heizelement gibt die gleiche Menge ab). Wärme) als gleicher konstanter Druck:
In der Technik und im Alltag bezeichnet der Begriff „Spannung“ bei der Verwendung von Wechselstrom genau diesen Wert und alle Voltmeter werden auf Grundlage dieser Definition kalibriert. Allerdings messen die meisten Geräte konstruktionsbedingt nicht den quadratischen Mittelwert, sondern den durchschnittlichen gleichgerichteten Spannungswert (siehe unten), sodass ihre Messwerte bei einem nicht sinusförmigen Signal vom tatsächlichen Wert abweichen können.
Durchschnittlicher Wert der gleichgerichteten Spannung
Der durchschnittliche gleichgerichtete Wert ist der Durchschnittswert des Spannungsmoduls:
Für sinusförmige Spannung gilt die Gleichung:
In der Praxis selten eingesetzt, messen die meisten Wechselspannungsmessgeräte (bei denen der Strom vor der Messung gleichgerichtet wird) tatsächlich diesen Wert, obwohl ihre Skala in Effektivwerten unterteilt ist.
Spannung in Drehstromkreisen
In Drehstromkreisen werden Phasen- und Linearspannungen unterschieden. Unter Phasenspannung versteht man den quadratischen Mittelwert der Spannung in jeder Lastphase, und unter linearer Spannung versteht man die Spannung zwischen den Versorgungsphasendrähten. Wenn die Last in einem Dreieck angeschlossen ist, ist die Phasenspannung gleich der linearen Spannung, und wenn sie in einem Stern angeschlossen ist (mit einer symmetrischen Last oder mit einem fest geerdeten Neutralleiter), ist die lineare Spannung um ein Vielfaches größer als die Phasenspannung.
In der Praxis wird die Spannung eines Drehstromnetzes durch einen Bruch bezeichnet, dessen Nenner die lineare Spannung und dessen Zähler die Phasenspannung bei Sternschaltung (oder, was dasselbe ist, das Potential von) ist jede Linie relativ zum Boden). So sind in Russland die gängigsten Netze mit einer Spannung von 220/380 V; Teilweise kommen auch 127/220-V- und 380/660-V-Netze zum Einsatz.
Standards
| Ein Objekt | Spannungsart | Wert (bei Verbrauchereingabe) | Wert (am Quellausgang) |
|---|---|---|---|
| Elektrokardiogramm | Impuls | 1-2 mV | - |
| TV-Antenne | Variable Hochfrequenz | 1-100 mV | - |
| AA-Batterie | Dauerhaft | 1,5 V | - |
| Lithium Batterie | Dauerhaft | 3 V - 1,8 V (Stiftbatterie, am Beispiel Varta Professional Lithium, AA) | - |
| Steuersignale von Computerkomponenten | Impuls | 3,5 V, 5 V | - |
| Batterietyp 6F22 („Krona“) | Dauerhaft | 9 V | - |
| Stromversorgung für Computerkomponenten | Dauerhaft | 12 V | - |
| Elektrische Ausrüstung für Autos | Dauerhaft | 12/24 V | - |
| Netzteil für Laptop und LCD-Monitore | Dauerhaft | 19 V | - |
| „Sicheres“ Niederspannungsnetz für den Betrieb in gefährlichen Umgebungen | Variable | 36-42 V | - |
| Spannung des stabilsten Brennens von Yablochkov-Kerzen | Dauerhaft | 55 V | - |
| Spannung in der Telefonleitung (bei aufgelegtem Hörer) | Dauerhaft | 60 V | - |
| Spannung des japanischen Stromnetzes | Wechselstrom dreiphasig | 100/172 V | - |
| Elektrische Spannung im US-Heim | Wechselstrom dreiphasig | 120 V / 240 V (Spaltphase) | - |
| Spannung im russischen Stromnetz | Wechselstrom dreiphasig | 220/380 V | 230/400 V |
| Elektrische Rampenentladung | Dauerhaft | bis 200-250 V | - |
| Straßenbahn- und Trolleybus-Kontaktnetz | Dauerhaft | 550 V | 600 V |
| Zitteraal-Ausfluss | Dauerhaft | bis 650 V | - |
| Metro-Kontaktnetzwerk | Dauerhaft | 750 V | 825 V |
| Kontaktnetz einer elektrifizierten Eisenbahn (Russland, Gleichstrom) | Dauerhaft | 3 kV | 3,3 kV |
| Freileitung zur Stromverteilung mit geringem Stromverbrauch | Wechselstrom dreiphasig | 6-20 kV | 6,6-22 kV |
| Kraftwerksgeneratoren, leistungsstarke Elektromotoren | Wechselstrom dreiphasig | 10-35 kV | - |
| CRT-Anode | Dauerhaft | 7-30 kV | - |
| Statische Elektrizität | Dauerhaft | 1-100 kV | - |