3 โวลท์มิเตอร์ตรง

เรื่อง โวลทม์ เิ ตอร์ไฟตรง (DC. Voltmeter) วตั ถปุ ระสงค์ 1. เขา้ ใจโครงสรา้ งเบื้องตน้ ของโวลท์มิเตอร์ไฟตรง 2. เขา้ ใจการทางานของโวลท์มเิ ตอร์ไฟตรง 3. ใช้งานโวลท์มิเตอร์ไฟตรงในการวดั และการอา่ นคา่ แรงดันไฟฟ้าได้ 4. สามารถขยายย่านการวดั แรงดนั ของโวลท์มิเตอร์ไฟตรงได้ 5. บารุงรกั ษาโวลท์มเิ ตอร์ไฟตรงได้ เนอ้ื หาสาระ โวลท์มิเตอ์ร์ไตรง (Direct Current Voltmeter) จะมีโครงสร้างแบบขดลวดเคล่ือนที่และแม่เหล็กถาวร (PMMC) และต่อความต้านทานตัวคูณ (Multiplier resistor, RS) การท่ีโวลต์มิเตอร์สามารถวัดค่าแรงดันไฟฟ้าได้ ก็อาศัยปริมาณของกระแสไฟฟ้าท่ีไหลผ่านแอมมิเตอร์ซ่ึงขึ้นอยู่กับปริมาณของแรงดันที่จ่ายเข้ามา ดังนั้นการวัด ปรมิ าณของแรงดนั ไฟฟ้ากค็ ือ การวัดปริมาณของกระแสไฟฟ้านั่นเอง เพียงแต่เปลย่ี นสเกล หน้าปดั ของมเิ ตอรใ์ ห้แสดง ค่าออกมาเป็นแรงดันไฟฟ้าเท่านั้นและ ปรับค่าให้ถูกต้อง กระแสไฟฟ้าท่ีไหลผ่านเข้าโวลต์ มิเตอร์จะมีขีดจากัดขึ้นอยู่ กับค่าการทนกระแสได้ของโวลต์มิเตอร์น่ันเอง ดังน้ัน เม่ือนาโวลต์มิเตอร์ไปวัดแรงดันไฟฟ้าที่มีค่ามากๆ ย่อมส่งผลให้ กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าโวลต์มิเตอร์มากตามไปด้วย หากมากเกินกว่าท่ีโวลต์มิเตอร์ทนได้ ก็ไม่สามารถนาโวลต์ มเิ ตอรไ์ ปวัดแรงดนั ไฟฟ้านนั้ ได้ รปู ร่างและสญั ลักษณ์ของโวลต์มิเตอร์ไฟตรง แสดงในรูปท่ี 3.1 รปู ท่ี 3.1 รปู รา่ งและสัญลกั ษณข์ องโวลท์มิเตอร์ไฟตรง (DC. Voltmeter)

การขยายย่านวัดแรงดนั โวลท์มเิ ตอรไ์ ฟตรง การมิเตอร์ตัวเดิมให้สามารถวัดกระแสไฟฟ้าได้หลายย่านวัด เพื่อความสะดวกในการใช้งาน ทาได้โดยการ เปล่ียนแปลงค่าความต้านทานภายในของมิเตอร์มูฟเมนท์ แบบขดลวดเคลื่อนท่ี โดยการต่อตัวต้านทานขนาน (SHUNT RESISTOR) กับมิเตอร์มูฟเมนท์ ชนิดขดลวดเคลื่อนที่ จึงทาให้ความสามารถในการวัดกระแสของ มิเตอร์ มฟู เมนท์เปลย่ี นไปในลกั ษณะท่สี งู ขึ้น โวลทม์ ิเตอรไ์ ฟตรงหลายยา่ นวัด (Multirange DC. Voltmeter) 1. แบบอนิ ดิวิดวล (INDIVIDUAL TYPE) การขยายย่านวัดของโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายย่านแบบอินดิวิดวล (INDIVIDUAL TYPE) โดยการนาตัว ตา้ นทานมาตอ่ อนกุ รมกับมเิ ตอรม์ ูฟเมนท์ หลายๆ ตวั แล้วใช้ซีเลค็ เตอรส์ วทิ ช์เปน็ ตวั เลือกยา่ นวัดแรงดนั ดังรูปท่ี 3.2 รปู ท่ี 3.2 โวลทม์ เิ ตอร์ไฟตรงหลายยา่ นแบบอินดิวิดวล จากรูปท่ี 3.2 ซึ่งเป็นวงจรโวลทม์ ิเตอร์ไฟตรงหลายย่านแบบอินดวิ ิดวล ท่มี ี 3 ยา่ นวัดด้วยกนั คือ 10V , 25V และ 50V ตามลาดับ ซึ่งเราสามารถคานวณหาค่าความต้านทานที่ใช้ต่ออนุกรมกับมิเตอร์มูฟเมนท์ (MULTIPLIER RESISTANCE) RS1 , RS2 และ RS3 ได้ตามสมการที่ 3.1 – 3.3 ดงั นี้ RS1 = EFS1 - Rm สมการท่ี 3.1 RS2 = Im สมการที่ 3.2 RS3 = EFS2 - Rm สมการที่ 3.3 Im EFS3 - Rm Im

เม่ือ Rm = ความตา้ นทานภายในมิเตอร์มฟู เมนท์ () Im = กระแสเตม็ สเกลของมเิ ตอร์มูฟเมนท์ (A) RS1 , RS2 , RS3 = ความตา้ นทานท่ีตอ่ อนุกรมกบั มเิ ตอรม์ เิ ตอร์มฟู เมนท์แตล่ ะยา่ นวดั () EFS1 , EFS 2 , EFS 3 = แรงดันเต็มสเกลของโวลทม์ ิเตอร์ทต่ี ้องการขยายแต่ละยา่ นวัด (V) ตวั อยา่ งที่ 3.1 จากวงจรรูปท่ี 3.2 เป็นวงจรโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายย่านแบบอินดิวิดวล ท่ีมี 3 ย่านวัดด้วยกันคือ 10V, 25V และ 50V ตามลาดับ กาหนดให้แอมมิเตอร์มีค่ากระแสสูงสุดสเกล 1mA และความต้านทานภายใน 400 จงคานวณหาค่าความต้านทานทใ่ี ช้ตอ่ อนกุ รมกบั มิเตอร์มฟู เมนท์ (MULTIPLIER RESISTANCE) RS1 , RS2 และ RS3 วิธีทา หาค่า RS1 ท่ีย่านการวัด 10V จากสมการท่ี 3.1 RS1 = EFS1 - Rm Im RS1 = 10V - 400  1mA RS1 = 10,000 - 400  = 9,600  หรือ 9.6 K หาคา่ RS2 ทย่ี ่านการวัด 25V EFS2 - Rm จากสมการท่ี 3.2 Im RS2 = RS2 = 25V - 400  1mA RS2 = 25,000 - 400  = 24,600  หรอื 24.6 K หาค่า RS3 ทยี่ า่ นการวดั 50V EFS3 - Rm จากสมการ Im RS3 =

RS3 = 50V - 400  1mA RS3 = 50,000 - 400  = 49,600  หรอื 49.6 K สาหรับการสร้างสเกลในการอ่านค่าแรงดันไฟตรง ให้ใช้การเทียบส่วนของย่านวัดกระแสเดิม กับย่านวัด แรงดันใหม่ ไดเ้ ลย เชน่ สเกลเดมิ มีย่านวัดกระแส 0 – 1mA และสเกลใหม่ มียา่ นวัดแรงดนั 0- 10 V ก็ใหเ้ ทียบส่วน ท่ี 1 mA ใหเ้ ป็น 10V หรือที่ 0.5mA ให้เป็น 5 V ดงั รูปท่ี 3.3 และยงั สามารถนาไปประยกุ ต์ให้มยี า่ นวัดมากกว่า 3 ย่านวดั ก็ได้ รปู ที่ 3.3 การสร้างสเกลโวลทม์ ิเตอร์ไฟตรง ข้อดี : ของโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายย่านแบบอินดิวิดวล คือเมือ่ เกิดการชารุดเสยี หายของตัวต้านทานท่ีย่าน วัดใดก็จะเสียหายเฉพาะยา่ นวัดนน้ั ยา่ นวัดอ่ืนยังคงใชง้ านไดเ้ ป็นปกติ ขอ้ เสยี : ของโวลท์มเิ ตอร์ไฟตรงหลายย่านแบบอนิ ดิวิดวล คอื ค่าความต้านทานที่ใช้ต่ออนุกรมจากัดกระแส อาจไม่ใช่ค่ามาตรฐานท่ีผลิตมาขาย ดังนั้นย่านวัดใหม่แต่ละย่านอาจต้องใช้ตัวต้านทานมากกว่าหนึ่งตัวมาต่ออนุกรม กนั เพ่อื จะให้ไดค้ ่าความตา้ นทานตามท่ีตอ้ งการ ทาใหไ้ มป่ ระหยดั และไม่ได้มาตรฐาน 2. แบบยนู เิ วอร์แซล (UNIVERSAL TYPE) การขยายยา่ นวัดโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายย่านวัดแบบยูนิเวอรแ์ ซล (UNIVERSAL TYPE) เป็นอกี วิธีหนึง่ ที่ใช้ ในการสร้างโวลท์มิเตอร์ไฟตรงท่ีมีหลายย่าน ซึ่งเป็นการแก้ปัญหาของข้อเสียในการขยายย่านวัดโวลท์มิเตอร์ไฟตรง หลายย่านวัดแบบ อินดิวิดวล ลักษณะของวงจรการขยายย่านวัดโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายย่านวัดแบบยูนิเวอร์แซล คือการนาเอาตัวต้านทานของแต่ละย่านวัดทุกตัวมาต่ออนุกรมกันก่อน แล้วจึงนาไปต่อกับมิเตอร์มูฟเมนท์อีกท่ีหน่ึง ความต้านทานท่ีต่ออนุกรมกับมิเตอร์มูฟเมนทน์ ้ีมชี ื่อเรียนว่า (MULTIPLIER RESISTANCE) โดยใหเ้ รียงลาดบั ย่านวัด แรงดันจากน้อยไปหามาก คือย่านวัดแรงดันที่ต่าสุดให้อยู่ติดกับมิเตอร์มูฟเมนท์ ส่วนย่านวัดใช้งานจะถูกต่อออกมา จากรอยต่อของตวั ตา้ นทานของแต่ละตวั วงจรแสดงดังรูปท่ี 3.4

รูปที่ 3.4 โวลทม์ เิ ตอร์ไฟตรงหลายยา่ นวดั แบบยูนิเวอร์แซล จากรูปที่ 3.4 เป็นวงจรการขยายย่านวัดโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายย่านวัดแบบยูนิเวอร์แซลที่มี 3 ย่านวัดคือ 10V , 25V และ 50V ซึ่งเราสามารถคานวณหาค่าความต้านทานท่ีต่ออนุกรมกับมิเตอร์มูฟเมนท์ (MULTIPLIER RESISTANCE) คือ RS1 , RS2 และ RS3 ที่ใช้ตออนกุ รมกับแอมมิเตอรข์ องแต่ละย่านวดั ไดจ้ ากสมการท่ี 3.4 – 3.5 RS1 = EFS1 - Rm สมการท่ี 3.4 Im สมการท่ี 3.5 สมการที่ 3.6 RS2 = EFS2 - (Rm + RS1) Im RS3 = EFS3 - (Rm + RS1+ RS2) Im เมอื่ Rm = ความตา้ นทานภายในมิเตอร์มูฟเมนท์ () Im = กระแสเต็มสเกลของมิเตอรม์ ฟู เมนท์ (A) RS1 , RS2 , RS3 = ความตา้ นทานทตี่ ่ออนุกรมกับมิเตอรม์ ิเตอร์มูฟเมนท์แตล่ ะย่านวดั () EFS1 , EFS 2 , EFS 3 = แรงดันเต็มสเกลของโวลท์มิเตอร์ทต่ี ้องการขยายแต่ละยา่ นวดั (V) ตวั อย่างท่ี 3.2 จากวงจรรปู ที่ 3.4 เปน็ วงจรการขยายย่านวดั โวลท์มเิ ตอร์ไฟตรงหลายย่านวัดแบบยูนิเวอร์แซลที่มี 3 ยา่ นวัด คือ 10V , 25V และ 50V กาหนดให้แอมมิเตอร์มีค่ากระแสสูงสุดสเกล 1mA และความต้านทานภายใน 400 จงคานวณหาคา่ ความต้านทานที่ตอ่ อนุกรมกับมเิ ตอรม์ ูฟเมนท์ (MULTIPLIER RESISTANCE) คือ RS1 , RS2 และ RS3 วิธีทา

หาคา่ RS1 ท่ียา่ นการวดั 10 V จากสมการที่ 3.4 RS1 = EFS1 - Rm Im RS1 = 10V - 400  1mA RS1 = 10000 - 400  = 9,600  หรอื 9.6 K หาคา่ RS2 ท่ยี า่ นการวัด 25 V จากสมการ RS2 = EFS2 - (Rm + RS1) Im RS2 = 25V - (400  + 9,600  ) 1mA RS2 = 25,000 - 10,000  = 15,000  หรือ 15 K หาค่า RS3 ท่ยี ่านการวดั 50 V จากสมการ RS3 = EFS3 - (Rm + RS1+ RS2) Im RS3 = 50V - (400  + 9,600  + 15,000 ) 1mA RS3 = 50,000 - 25,000  = 25,000  หรือ 25 K สาหรับการสร้างสเกลในการอ่านค่าแรงดันไฟฟ้าก็ยังคงใช้หลักการเหมือนกับโวลท์เตอร์หลายย่านวัดแบบ อนิ ดวิ ดิ วล ดงั รปู ที่ 3.3 และยงั สามารถนาไปประยกุ ตใ์ หม้ ียา่ นวัดมากกว่า 3 ย่านวดั กไ็ ด้ ข้อดี : ของโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายย่านแบบยูนิเวอร์แซล คือลักษณะการขยายย่านวัดที่สูงข้ึนเป็นย่านที่ 2, 3 และ 4 … จะต่อตัวต้านทานอนุกรมมากกว่า 1 , 2 , 3 , 4 … ตัว เพื่อช่วยเพ่ิมค่าความต้านทานที่ไม่ใช่ค่า มาตรฐานทผี่ ลติ มาขาย และชว่ ยลดจานวนตวั ความต้านทานท่ีจะใช้งานให้นอ้ ยลง

ขอ้ เสีย : ของโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายยา่ นแบบยนู เิ วอร์แซล คอื เมอื่ เกิดการชารดุ เสียหายของตัวตา้ นทานท่ี ย่านวัดแรงดนั ต่าสดุ ก็จะทาให้ยา่ นวดั แรงดันทส่ี ูงขึน้ ไปเสยี หายหมด แต่ถา้ เกดิ การชารดุ เสยี หายของตัวต้านทานท่ี ย่านวดั แรงดันสูงสดุ จะทาให้ย่านวดั แรงดนั ทตี่ ่าลงมายังคงใชง้ านได้อยู่ ********************************** แบบฝึกหดั หน่วยท่ี 3 คาช้แี จง แบบฝกึ หดั มจี านวน 6 ข้อ จงแสดงวธิ ีทามาให้ถูกต้องทุกข้อ 1. กาหนดให้แอมมิเตอร์มีค่า Im = 100 A และ Rm = 1.5K ต้องการสร้างเป็นโวลท์มิเตอร์ไฟตรง หลายย่านวัดแบบอินดิวิดวล ท่ีสามารถวัดแรงดันไฟตรงได้ 5 ย่านวัด ดังน้ี 1V, 2.5V, 5V, 10V และ 50V จงคานวณ หาค่าความตา้ นทานท่ีใช้ตอ่ อนุกรมกับแอมมิเตอร์ ของแต่ละย่านการวัด พรอ้ มทง้ั เขียนวงจรมาให้ถูกตอ้ ง 2. จากโจทยข์ ้อท่ี 1 จงสร้างสเกลทีใ่ ชใ้ นการอา่ นค่าแรงดันไฟตรงทั้ง 5 ย่านวดั 3. จากวงจรรูปที่ 3.2 ถ้าตัวต้านทานท่ีต่ออนุกรมกับมิเตอร์มูฟเมนท์ (MULTIPLIER RESISTANCE) ในการ ขยายย่านการวัดโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายย่านวัดแบบอินดิวิดวลตัวใดตัวหนึ่งเสีย จะทาให้ย่านวัดอ่ืนเสียหมดด้วย หรือไม่อยา่ งไรอธิบายมาให้เข้าใจ 4. กาหนดให้แอมมิเตอร์มีค่า Im = 500 A และ Rm = 3K ต้องการสร้างเป็นโวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลาย ย่านวดั แบบยูนเิ วอรแ์ ซล ทสี่ ามารถวดั แรงดันไฟตรงได้ 5 ย่านคอื 5V, 10 V, 25V, 50V และ 100V จงคานวณหาค่า ความตา้ นทานท่ีมาต่ออนกุ รมกับแอมมิเตอร์ ของแต่ละย่านการวัด พร้อมท้ังเขียนวงจรมาให้ถกู ตอ้ ง 5. จากโจทย์ข้อท่ี 4 จงสร้างสเกลที่ใช้ในการอ่านค่าแรงดันไฟตรงทง้ั 5 ย่านวัด 6. ความต้านทานที่ต่ออนุกรมกับมิเตอร์มูฟเมนท์ (MULTIPLIER RESISTANCE) ในการขยายย่านการวัด โวลท์มิเตอร์ไฟตรงหลายย่านวัดแบบยูนเิ วอร์แซล ตัวไหนทเ่ี สียแล้วทาใหย้ า่ นการวัดทกุ ย่านใช้งานไมไ่ ด้ท้ังหมดเพราะ เหตใุ ด อธบิ ายมาใหเ้ ขา้ ใจ **********************************