Meten van spanning
Het meten van een spanningverschil, ook wel potentiaalverschil, is een veel uitgevoerde meting in de elektrotechniek en elektronica. In dit artikel wordt nader ingegaan op de verschillende meetprincipes en de invloed die een meetinstrument heeft op het te meten object.
Introductie
Fig. 1: 6½ Digit tafel multimeter.
Om de grootte van het potentiaalverschil te kunnen vaststellen, staan diverse instrumenten ter beschikking. De multimeter, ook wel universeelmeter genaamd, is een veel gebruikt instrument. Om het verloop van een spanning over de tijd te bepalen wordt veelal de oscilloscoop ingezet. Altijd moeten de beperkingen van deze instrumenten goed in de gaten worden gehouden om er zeker van te zijn dat de gemeten waarde betrouwbaar is.
De meest gebruikte methode om spanning te meten is door een voltmeter te verbinden met de twee punten waarvan men het potentiaalverschil wil weten. In de meeste gevallen levert dit een afdoende resultaat op. Echter, als hoge eisen aan de nauwkeurigheid worden gesteld, zal men meer aandacht aan de meting moeten schenken.
Meer informatie over de onzekerheden van de gemeten waarden is te vinden het artikel meetnauwkeurigheid. Het artikel meetfouten beschrijft algemeen voorkomende meetfouten.
Invloed impedanties
Als een meetobject een hoge uitgangsimpedantie bezit en/of de impedantie van het meetinstrument klein is, kunnen de ontstane meetfouten onaanvaardbaar groot worden.
Fig. 2: Een voltmeter meet een lagere spanning dan de spanningsbron door diverse impedanties.
In figuur 2 is een meetopstelling getekend waarbij de spanning van de bron (Ubron) met een inwendige weerstand (Ri) wordt gemeten. Het meetinstrument heeft een impedantie (Zm) die de schakeling belast waardoor de stroom (Im) vloeit. De inwendige weerstand van de spanningsbron vormt samen met de meterimpedantie een spanningsdeler. Hierdoor wordt een lagere spanning gemeten dan de bron levert.
Als voorbeeld een spanningsbron Ubron die een spanning levert van 10 V en een inwendige weerstand heeft van 10 kΩ die wordt gemeten met een voltmeter met een impedantie van 10 MΩ. De stroom door de keten is dan:
[equ. 1]
De spanning die dan over de impedantie van de meter valt wordt dan:
[equ. 2]
De spanning die door de voltmeter gemeten wordt is 0,01 V lager dan de bronspanning. Dit komt neer op een meetfout van:
[equ. 3]
De meetfout in dit voorbeeld is dus 0,1 %. Bij de betere tafelmultimeters is het mogelijk om de meetimpedantie om te schakelen van de standaard 10 MΩ naar een hogere impedantie. Hiermee kan de meetfout veroorzaakt door de ontstane spanningsdeler aanzienlijk gereduceerd worden.
Frequentie afhankelijke impedantie
In het voorbeeld hierboven werd uitgegaan dat de impedantie van de voltmeter ohms is. Als gemeten wordt aan hoge frequenties moet ook rekening worden gehouden met de inductieve en/of capacitieve reactantie. Zo zal een oscilloscoop met probe die een ohmse weerstand heeft van 1 MΩ en een parallel capaciteit van 45 pF bij een frequentie van 1 MHz een impedantie hebben van slechts 3,5 kΩ. Dit zal het meetobject zeer aanzienlijk belasten. In het artikel Oscilloscoopprobes wordt nader ingegaan op deze frequentie afhankelijke meetimpedantie.Meetplaats
Fig. 3: De plaats waar gemeten wordt is van invloed op de nauwkeurigheid.
Belangrijk bij de spanningsmeting is de plaats waar men de spanning wil meten. Dit moet zo dicht mogelijk bij de punten waarvan men de spanning wil weten. Vooral in schakelingen waar hoge stromen voorkomen kan de spanningsval over kabels en connectoren van grote invloed zijn.
Wil men bijvoorbeeld de bronspanning meten, dan moet deze ook gemeten worden bij de aansluitklemmen van de voeding (voltmeter V1). Meet men de spanning echter bij een belasting die een grote stroom trekt dan zal het meetinstrument, in dit geval V2, een lagere spanning aanwijzen doordat een deel van de spanning valt over de verbindingsdraden Rx. Gemeten men dicht bij de bron, V1, hebben de verbindingskabels geen invloed op de meting.
Uit de aard de zaak geld ook het omgekeerde. Is men geïntereseerd in de spanning over de belasting, dan moet ook gemeten worden aan de aansluitklemmen van de belasting (voltmeter V2). Meet men in dit geval bij de voeding (V1), dan wordt een te hoge spanning gemeten.
Multimeter
Fig. 4: Multimeter in het ACvolt bereik.
Om spanningen te meten zal men veelal gebruik maken van een multimeter zoals hiernaast afgebeeld.
DC-bereik
In het DC-bereik van zowel een analoge als digitale universeelmeter wordt altijd de gemiddelde spanning gemeten. De aangeboden spanning wordt gefilterd met een laagdoorlaatfilter met een grensfrequentie tussen de 1 en 20 Hz. Ook in het geval van gesuperponeerde wisselspanning op een gelijkspanning is het frequentiebereik erg hoog. De zelfinductie van de meetsnoeren alsook de parasitaire capaciteiten zullen het hoogfrequentaandeel helpen middelen. Wel dient er rekening gehouden te worden dat de impedantie voor hoge frequenties hoger wordt door de zelfinductie van de meetsnoeren.
AC-bereik
Ten aanzien van het AC-bereik moet onderscheid worden gemaakt tussen eenvoudige en de duurdere "true RMS" multimeters.
Een true-RMS meter zal ongeacht de golfvorm de RMS-spanning meten. Dit doet deze op basis van continue berekening, analoog dan wel digitaal, op het aangeboden signaal. Ook bestaan er types die de RMS-waarde meten op basis van temperatuurstijging van een weerstand bij stroomdoorgang. Deze laatste hebben wel een hoger eigen verbruik ofwel een lagere ingangsimpedantie. Zij worden over het algemeen gebruikt bij zeer hoge frequenties.
Fig. 5: Frequentie karakteristiek van de hierboven afgebeelde multimeter in het AC-spanningsbereik.
Een eenvoudige multimeters zal ook de effectieve waarde weergeven, maar deze is alleen geldig voor sinusvormige signalen. Dit wordt geïllustreerd in figuur 5. Het gespecificeerde frequentiebereik is 50...500 Hz. Te zien is dat de meetfout bij een sinusvormig signaal binnen de specificaties (2 % rdg) blijft. Maar bij een blokgolf met duty-cycle van 50 % een meetfout geeft van ongeveer +10 %. Bij een duty-cycle van 20 is deze -12 %. Duidelijk is eenvoudige multimeters niet geschikt zijn voor niet-sinusvormige signalen en dat de meetfout erg afhankelijk is van de golfvorm.
Meer hierover in het artikel Theorie en definities.
Zowel bij True-RMS al de eenvoudige universeelmeters moet men in het AC-bereik rekening houden met het frequentiebereik. Boven de gespecificeerde grensfrequentie zal de opgegeven meetnauwkeurigheid niet meer geldig zijn. Vooral bij true-RMS meters moet men rekening houden dat complexe golfvormen harmonischen bevatten die buiten het frequentiebereik vallen, ook al ligt de grondfrequentie ruim binnen de het opgegeven frequentiebereik.
Oversturing RMS-meters
Impulsspanningen veroorzaken vaak oversturingen in het ingangscircuit van meetinstrumenten. De topspanning is hier vele malen groter dan de gemiddelde- of RMS-spanning. Vooral bij multimeters is er grote kans op schade of meetfouten omdat men geen indicatie heeft van de amplitude. Hieronder een voorbeeld van zo'n spanningsvorm met de bijbehorende spanningswaarden.
Fig. 6: Spanningsmeting van een impuls.
De duty-cycle van dit signaal is 10%. Hoewel een lage spanningen wordt gemeten is de amplitude 10 maal hoger dan de gemiddelde spanning en ruim drie maal hoger dan de RMS-spanning. Deze situatie komt bijvoorbeeld voor waar een fly-back transformator wordt gebruikt. Het ingangscircuit van een gewone multimeter bezit en laagdoorlaat filter. Hierdoor zal de gemiddelde spanning correct worden gemeten, maar door zijn hoge impulsspanning wordt het ingangscircuit overbelast. Onderdelen kunnen defect raken door spanningsoverslag of verbranden.
Bij True-RMS meters is behalve kans op schade de kans op meetfouten nog groter. De RMS-spanning wordt berekend aan de hand van de momentele ingangsspanningen. Als men het instrument gevoeliger instelt omdat en lage waarde wordt weergegeven, bestaat de kans dat de ingangsversterker wordt overstuurt. Bij betere true-RMS meters is een oversturingsindicator aanwezig. Is dit niet het geval, dan moet met een oscilloscoop gecontroleerd worden of het instrument wordt overstuurd.
Alle teksten en afbeeldingen op deze site, met uitzondering deze op de nieuws- & opiniepagina's, zijn het intellectuele eigendom van Freddy Alferink. || Wijzigingen van artikelen staan vermeld op de updatepagina. || Voor vragen of opmerkingen: maak gebruik van het formulier op de contactpagina.