Wie funktioniert ein Voltmeter?

Angenommen, ich habe eine Schaltung mit einem zweipoligen Thévenin-Äquivalent mit Gleichspannungsdifferenz U und Ausgangswiderstand Ro. Was macht das Voltmeter? Ich nehme an, es hat einen internen, sehr großen Widerstand (Rv), der parallel zu Ro geschaltet ist. Aber was wird über Rv gemessen und wie?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die eigentliche Messung durchzuführen.

Eines der traditionelleren ist ein Mikroamperemeter mit beweglicher Spule, das aus einer Wicklung auf einem Eisenkern besteht, die sich zwischen den Polen eines Permanentmagneten dreht und gegen die Kraft einer Feder arbeitet. Die Messschaltung und der Wahlschalter verbinden verschiedene Widerstände, um die Eingangsspannung auf einen winzigen Strom zu skalieren. Ein grobes, verwandtes Instrument kann hergestellt werden, indem einige Drahtwindungen über einen Magnetkompass aus Kunststoffkörper gewickelt werden, wobei das eingeführte Feld eine Vektorsumme mit dem Erdfeld bildet und zu einem neuen Zeigerwinkel führt.

Die nächste wichtige Entwicklung bestand in der Verwendung eines hochohmigen Vakuumröhrenverstärkers zwischen der zu testenden Schaltung und der Bewegung des Messgeräts, wodurch das Vacum Tube Volt Meter oder VTVM hergestellt wurde. Später wurde die Röhre durch einen Feldeffekttransistor ersetzt.

Die dritte wichtige Entwicklung wäre, das Uhrwerk durch einen Analog-Digital-Wandler zu ersetzen. Diese besteht normalerweise aus einem Komparator, der den unbekannten Eingang mit bekannten Referenzspannungen vergleicht; entweder nacheinander, wenn die Referenzspannung durch einen Digital-Analog-Wandler unter einem Suchalgorithmus geändert wird, oder durch Laden eines Kondensators während der Zeitmessung oder für Hochgeschwindigkeitsanwendungen unter Verwendung einer Anzahl von Komparatoren und Spannungsquellen, die parallel wirken, um eine schnellere zu erzeugen Antwort (obwohl diese Form eher in einem Hochgeschwindigkeitsinstrument wie einem Oszilloskop als in einem typischen digitalen Multimeter zu finden ist).

Voltmeter messen die Spannung, die sie nach dem Laden sehen, mit ihrem "Eingangswiderstand". Bei Messgeräten mit elektronischer Schaltung liegt diese normalerweise im Bereich von 10 MΩ. Daher bilden die Ro-Impedanz der Quellenspannung und die Eingangsimpedanz des Voltmeters einen Spannungsteiler, und das Voltmeter zeigt Ihnen die Spannung aus diesem Teiler an.

Solange die Impedanz der Quellenspannung wesentlich geringer ist als die Eingangsimpedanz des Voltmeters, liest das Voltmeter die Spannung genau ab. Aus diesem Grund ist ein höherer Eingangswiderstand für Voltmeter besser. In der Praxis ändert das Laden eines Objekts mit 10 MΩ die meiste Zeit nicht die Spannung auf den gewünschten Punkt. Sie müssen sich jedoch der Einschränkungen Ihrer Tools bewusst sein, um zu wissen, wann sie Ihnen keine genauen Messwerte liefern.

Ein Voltmeter berechnet die Potentialabweichung zwischen dem heißen Draht und dem Neutralleiter. Da der Strom von heiß nach neutral fließt, bleibt der Wechselstrom-Neutralleiter auf Null, wenn das heiße von einem negativen heißen geht zu einem positiven heißen.