فولتمتر إلكتروني

فولتميترات DC

DC Voltmeters
يتكون فولتميتر DC أساساً من مكبر DC منفصل عن موهن، كما هو موضح في الأسفل.

فولتميتر DC ذو الربط المباشر

بالإنجليزية ( Direct Coupled Amplifier DC Voltmeter ).
هذا النوع من الفولتميترات شائع الاستعمال بسبب تكلفته المنخفضة ويمكن استخدام هذا النوع فقط لقياس الجهود في حدود ميللي فولت، وذلك بسبب محدودية كسب التكبير له.
ومخطط الدائرة لهذا النوع من الفولتميتر DC ذو الربط المباشر بالمكبر، ويستخدم مجموعة ترانستور متسلسلة كما هو موضح في الصورة.
وفي مرحلة الدخول يستخدم موهن، وذلك لاختيار مدى الجهد، ويُستخدم ترانستور كجهاز تحكم في التيار، ولذلك توضع مقاومة على التوالي مع الترانستور Q1 لاختيار مدى الجهد، ويمكن أن ترى من الصورة بجانبك أن حساسية الفولتميتر هي 200Ω\volt مهملاً المقاومة الصغيرة الخاصة بالترانستور Q1.
مقاومات اختيار المدى الأخرى يتم اختيارها بحيث تبقى الحساسية ثابتة لكل المديات، ولذلك فإن التيار المسحوب من الدائرة هو فقط 5MA.
يستخدم 2 ترانستور متصلين بالتتالي، بدلاً من استخدام ترانستور واحد للتكبير، وذلك لكي تبقى حساسية الدائرة عالية، والترنستورات Q1 و Q2 يكمل أحدهما الآخر ويوصلا مباشرة وذلك لتقليل عدد المكونات في الدائرة، وهما يشكلان مكبر ربط مباشر.
وتوضع مقاومة خاصة R في الدائرة وذلك لضبط الصفر الخاص بـــ PMMC حيث يضبط التيار المسحوب من المنبع E، ليثير التيار الساكن.
وعيب هذا الفولتميتر أنه يجب أن يعمل عند درجة حرارة معينة في الغرفة، حتى نحصل على الدقة المطلوبة، وإلا تحدث مشاكل الانحراف المتتابعة خلال عملية التشغيل.
وهناك مخطط دائرة أخرى لجهاز فولتميتر DC ذو مكبر الربط المباشر، مستخدماً FET في مرحلة الدخول.
وفي هذا الفولتميتر، فإن الفولت المطلوب قياسه يوهن أولاً بواسطة مفتاح اختيار المدى حتى يبقى جهد الدخل للمكبر في الحدود المسموح بها، ويستخدم في مرحلة الدخول للمكبر تأثير مجال الترانزستور FET وذلك بسبب معاوقة الدخل عالية له، ولأنه يُبقي حساسية الفولتميتر عالية جداً.
وحيث أن FET عبارة عن آلة لضبط الجهد، لذا فإن شبكة مقاومة الموهن توضع على التوازي بالدائرة، والترانزستور Q2 ، Q3 يكون DC ذو الربط المباشر والذي يغذي خرجه جهاز الـــ PMMC، وعندما يعمل الترانزستور في حدود منطقته الدينامايكية، فإن انحراف الجهاز يبقى متناسباً مع جهد الدخل المسلط، وهذا الفولتميتر يمكن استخدامه في قياس الجهود في حدود المللي - فولت بسبب الكسب المقبول لمكبره.
وبعيداً عن موضوع معاوقة الدخل العالية، فإن الدائرة لها ميزة أخرى، هي أنه إذا زاد جهد الدخل عن الحدود المسموح به، فإن المكبر يتشبع، وهذا يحد من قيمة التيار المار خلال جهاز القياس الـــ PMMC وبالتالي فإن جهاز القياس لا يحترق.
وتحدث مشكلة الانحراف drift، في مكبر الـــ DC ذو الربط المباشر عندما يستخدم مكبر DC متعدد المراحل للحصول على خرج في قياس الجهد، في حدود ميكروفولت، ولذلك فعند قياس ميكرو - فولت، فإننا نستخدم مكبر من النوع المقطع chopper في الفولتميتر.

فولتميتر DC من النوع المتقطع

يستخدم المكبر DC من النوع المتقطع في الفولتميترات الإلكترونية DC عالية الحساسية.
يتم أولاً تحويل الجهد DC إلى جهد AC بواسطة تعديل جهاز التقطيع، ثم يغذى خرجه إلى مكبر AC وخرج المكبر AC يتم إعادة تعديله إلى جهد DC ويكون متناسباً مع جهد الدخل الأصلي، ويعمل جهاز التعديل وجهاز إعادة التعديل في أوقات غير متزامنة.
ونظام التقطيع يمكن أن يتم بطريقة ميكانيكية أو إلكترونية، ومخطط الدائرة للمقطع الإلكتروني يستخدم موحد ضوئي كما هو مبين في الصورة
وتغير الموحدات الضوئية مقاومتها تحت ظروف الإضاءة المختلفة، وهذه الخاصية للموحد الضوئي تستخدم في المكبر المتقطع، وتتغير مقاومتها من حدود قيمة قليلة بالميجا أوم إلى حدود قيمة قليلة من المائة أوم عندما تُضاء من مصدر ضوئي في مكان مُظلم.
ويُستخدم في هذه الدائرة مصباحي نيون مزودان بمذبذب لتغيير نصف الدورة، ويُستخدم موحدين ضوئيين في مرحلة الدخل للاستخدام كمعدلات نصف موجه وذلك بسبب عملية التغير المتبادل بواسطة مصابيح النيون عند تردد المذبذب.
ويكون خرج المقطع المعدل موجه جهد مربعة (يتناسب مع إشارة الدخل) والتي تغذي إلى المكبر AC من خلال مكثف، وخرج المكبر يمر مرةً ثانية خلال مُكثف، ثم يُغذى إلى مقطع يزيل التعديل، ويستخدم المكثف لإزالة انحراف DC من الإشارة، ويعطي المقطع المزيل للتعديل جهد خرج DC ( يتناسب مع جهد الدخل )، والذي يمر خلال دائرة تنمية منخفضة وذلك لإزالة أي مركبة AC متبقية، ويؤخذ جهد الخرج DC ليغذي جهاز RMMC لقياس جهد الدخل.
في حالة الفولتميتر DC ذو المكبر المقطع تكون مقاومة الدخل في حدود 100 ميجا أوم، وتكون حساسيته تساوي 1 ميكرو - فولت لكل قسم من التدريج.

فولتميترات AC ذات القراءة العظمى

بالإنجليزية : Peak reading Ac voltmeters
الصورة توضح مخططات الدائرة لفولتميتر القراءة العظمى مستخدماً الصمام المفرغ أو موحد أشباه الموصلات.
يُشحن المكثف في هذا النوع من الفولتميترات إلى القيمة العظمى للجهد المسلط، ثم يتم تفريغ المكثف خلال المقاومة R فيما بين القيمتين العظيمتين للموجه والذي يؤدي إلى هبوط صغير في جهد المكثف، لكن هذا الفولت ينمو مرةً أخرى خلال القيمة التالية للموجة كما هو موضح في الشكل 2 .
ولذلك فإن قيمة الجهد على المكثف C والمقاومة R يبقى ثابتاً تقريباً ويساوي القيمة العظمى للجهد المسلط.
كما أن الجهد المتوسط على R أو التيار المتوسط خلال R يمكن استخدامهما لبيان القيمة العظمى للجهد المسلط.
وفي حالة الموحد ذو الصمام المفرغ ( أو الموحد شبه الموصل ) فإن مقاومة التوالي R تكون على التوازي مع المكثف C، و PMMC يُوصل على التوالي عبر المصدر ذو الجهد المجهول، في هذه الحالة فإن التيار المار خلال PMMC سوف يبين القيمة العظمى للجهد المسلط.
وبالنظر إلى الحالة التي تبينها الصورة الأولى والمستخدم بها موحدات التوحيد، مقاومة التوازي R، ومكبر التيار المستمر (DC)، إضافة إلى PMMC، فستلاحظ أن متوسط قيمة الجهد عبر R سوف تبين القيمة العظمى للجهد المسلط، وتفضل هذه الطريقة، حيث يمكن تقليل القدرة المستهلكة بجعل المقاومة R ذات قيمة عالية، ويتبع ذلك استخدام PMMC من النوع الأقل الحساسية، وعندما تكون ىمقاومة الدخل عالية، فإنها تُعطي علاقة خطية أُكثر بين القيمة العظمى للجهد المسلط وبيان الجهاز، كما أن أداء الموحد مع المدخلات يتكون من نبضات، وبالتالي تتحسن الموجات المعدلة.
مكبر التيار DC المُصاحب للموحد، يُزود بوسائل استقرار، لكي تمنع الانحراف في بيان جهاز قياس الخرج.
وعادة ما يستخدم جهد مصدر يمكن ضبطه ومع استخدام دائرة تعويض.
إن استخدام مقاومة توالي عالية R مع مكبر تيار مستمر DC، سوف تؤدي بلا شك إلى مقاومة دخل عالية، ولكنها تتطلب في نفس الوقت جهد مسلط ذو قيمة كافية لكي يمثل النظام كجهاز لقيمة الجهد العظمى.
لكن العيب الرئيسي لهذا النظام يظهر عند قياس الجهد المنخفض، فإذا كان الجهد المسلط صغير للغاية، عندئذٍ سيكون هناك تواجد لمرور بعض التيار خلال دورة الجهد بسبب سرعة انبعاث الإلكترونات، وتكون مقاومة الدخل مساوية لعدة مئات قليلة من للأوم، وتكسر بذلك الغرض الأساسي الذي يستخدم من أجله الأجهزة الإلكترونية.

فولتميتر القراءة الفعالة الحقيقية

بالإنجليزية : True RMS Reading Voltmeter
تُقاس القيمة الفعالة RMS للشكل الموجي الجيبي بواسطة الفولتميترات ذات القراءة المتوسطة والذي ُعاير تدريجه بدلالة القيمة الفعالة، وهذه الطريقة بسيطة وغير مكلفة، لكن يُزاد أحياناً القيمة الفعالة لموجة غير جيبية، ولمثل هذه القياسات يُستخدم الفولتميتر ذو القراءة الفعالة الحقيقية.
فهذا الجهاز يعطي بيان القياس بإحساس قدرة التسخين للموجة الجيبية والتي تتناسب مع مربع القيمة الفعالة للجهد.
ويُستخدم الازدواج الحراري لقياس قدرة التسخين لموجة الدخل التي يُغدى بها السخان بالصورة المُكبرة لهذه الموجة، ويكون خرج الازدواج الحراري متناسباً مع مربع القيمة الفعالة لموجة الدخل.
ويُستخدم ازدواج حراري آخر يسمى بالازدواج الحراري المتزن في نفس البيئة الحرارية لكي نتغلب على الصعوبة الناشئة من السلوك غير الخطي للازدواج الحراري، فالسلوك غير الخطي لدائرة دخل الازدواج الحراري قد تم ملاشاتها بالتأثيرات غير الخطية للازدواج الحراري المتزن، وهذه الازدواجات الحرارية تُشكل جزء من قنطرة دائرة الدخل لمُكبر التيار المستمر DC ويُوضح ذلك في المخطط الصندوقي
تُسلط الموجه الـــ AC المراد قياسها إلى عنصر التسخين في الازدواج الحراري الرئيسي، من خلال مكبر تيار متردد AC وفي حالة غياب أي موجة دخل، فإن خرج كلا الازدواجين الحراريين متساويين ولذلك فإن إشارة الخطأ التي هي المدخل إلى مكبر التيار المستمر DC، تساوي صفراً وبالتالي فإن جهاز مبين القراءة المتصل بخرج مكبر التيار المستمر سوف يُقرأ صفر، لكن عند تسليط موجة الدخل، فإن خرج الازدواج الرئيسي سوف يُغير الاتزان، وتُنتج إشارة خطأ والتي تُكبر بواسطة مكبر تيار مستمر، وتغذي عنصر التسخين في الازدواج الحراري المتزن، وتيار التغذية المغذي هذا يقلل قيمة إشارة الخطأ ويجعلها في النهاية تساوي صفر، وذلك للحصول على اتزان القنطرة، وفي هذه الحالة من الاتزان، فإن تيار التغذية الخارج من مُكبر التيار المستمر DC إلى عنصر التسخين للازدواج الحراري المتزن يكون مساوياً للتيار المتغير AC المار في عنصر التسخين للازدواج الحراري الرئيسي.
ومن هنا فإن التيار المستمر يتناسب مباشرةً مع القيمة الفعالة لجهد الدخل المتردد AC ويظهر على جهاز، المبين المتصل بخرج مكبر التيار المستمر DC.
ويمكن معايرة جهاز قياس PMMC ليقرأ مباشرة القيمة الفعالة للجهد وبهذه الطريقة فإن القيمة الفعالة للجهد الموجي يمكن قياسه وبحيث أن القيمة العظمى للشكل الموجي لا تزيد عن المدى الديناميكي لمكبر التيار المتغير AC.