ใบความรู้ที่ 3

โวลต์มิเตอร์ไฟตรงและวิธีวัดค่า

สารบัญเนื้อหา

3.1 การแปลงดาร์สันวาล์มิเตอร์เป็นโวลต์มิเตอร์ไฟตรง 3.2 โครงสร้างโวลต์มิเตอร์ไฟตรง 3.3 สเกลหน้าปัดและย่านวัดโวลต์มิเตอร์ไฟตรง 3.4 การต่อโวลต์มิเตอร์วัดแรงดันไฟตรง 3.5 การคำนวณวงจรโวลต์มิเตอร์

3.1 การแปลงดาร์สันวาล์มิเตอร์เป็นโวลต์มิเตอร์ไฟตรง

โวลต์มิเตอร์ (Voltmeter) เป็นมิเตอร์ไฟตรง ที่สร้างขึ้นมาเพื่อใช้วัดแรงดันไฟตรง โดยดัดแปลงมาจากดาร์สันวาล์มิเตอร์ หรือแอมมิเตอร์ไฟตรง คุณสมบัติในการทำงานอาศัยหลักการจ่ายกระแสไฟตรงให้ไหลผ่านขดลวดเคลื่อนที่ของดาร์สันวาล์มิเตอร์เหมือนกัน ปริมาณแรงดันไฟตรงที่ป้อนให้ขดลวดเคลื่อนที่มีผลต่อกระแสไฟตรงที่เกิดขึ้นมา แรงดันไฟตรงป้อนเข้ามาน้อย กระแสไฟตรงเกิดขึ้นน้อย เข็มมิเตอร์บ่ายเบนไปน้อย แรงดันไฟตรงป้อนเข้ามามาก กระแสไฟตรงเกิดขึ้นมาก เข็มมิเตอร์บ่ายเบนไปมาก
ผลที่เกิดขึ้นคือแรงดันมีผลต่อกระแสโดยตรง หรือกล่าวได้ว่าแรงดันและกระแสมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ด้วยเหตุนี้จึงสามารถนำดาร์สันวาล์มิเตอร์หรือแอมมิเตอร์มาดัดแปลงเป็นโวลต์มิเตอร์ได้ พร้อมทั้งปรับเปลี่ยนหน้าปัดให้เป็นสเกลโวลต์ และใส่หน่วยให้ถูกต้องก็จะได้โวลต์มิเตอร์ไฟตรงตามต้องการ
วิธีการดัดแปลงดาร์สันวาล์มิเตอร์หรือแอมมิเตอร์ไฟตรงให้เป็นโวลต์มิเตอร์ไฟตรง ทำได้โดยเพิ่มส่วนประกอบของอุปกรณ์เข้าไปในวงจรมิเตอร์ให้ถูกต้องเหมาะสม และปรับเปลี่ยนสเกลหน้าปัดของมิเตอร์ให้สัมพันธ์กัน ก็สามารถสร้างโวลต์มิเตอร์ไฟตรงวัดแรงดันไฟตรงได้ โวลต์มิเตอร์ไฟตรงที่ถูกสร้างขึ้นมาใช้งานแบ่งได้เป็นหลายชนิด เรียกชื่อตามขนาดแรงดันที่วัดได้ เช่น โวลต์มิเตอร์วัดแรงดันออกมาเป็นมิลลิโวลต์ เรียกว่า มิลลิโวลต์มิเตอร์ (Millivoltmeter) โวลต์มิเตอร์วัดแรงดันออกมาเป็นโวลต์ เรียกว่า โวลต์มิเตอร์ และโวลต์มิเตอร์วัดแรงดันออกมาเป็นกิโลโวลต์ เรียกว่า กิโลโวลต์มิเตอร์ (Kilovoltmeter) เป็นต้น

3.2 โครงสร้างโวลต์มิเตอร์ไฟตรง

โวลต์มิเตอร์ไฟตรงเป็นมิเตอร์ที่สร้างขึ้นมาเพื่อใช้วัดค่าแรงดันไฟตรง หรือค่าความต่างศักย์ไฟตรงระหว่างจุดสองจุดในวงจรไฟฟ้า ซึ่งขณะวัดแรงดันในวงจรไฟฟ้า หรือวัดแรงดันจากแหล่งจ่ายแรงดัน ต้องมีกระแสไหลผ่านมิเตอร์ด้วยจึงทำให้เข็มมิเตอร์บ่ายเบนไป และการที่กระแสจะไหลผ่านโวลต์มิเตอร์ได้ก็ต้องมีแรงดันป้อนเข้ามา แรงดันที่วัดออกมาได้มากน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสที่ไหลผ่านมิเตอร์ กระแสที่ไหลผ่านมิเตอร์จะขึ้นอยู่กับปริมาณแรงดันที่ป้อนเข้ามา ดังนั้นการวัดปริมาณของแรงดันก็คือการวัดปริมาณของกระแสนั่นเอง เพียงแต่เปลี่ยนสเกลหน้าปัดมิเตอร์ให้แสดงค่าออกมาเป็นค่าปริมาณแรงดัน
กระแสที่ไหลผ่านเข้าโวลต์มิเตอร์จะมีขีดจำกัดขึ้นอยู่กับค่าทนกระแสได้ของโวลต์มิเตอร์ตัวนั้น ดังนั้นเมื่อนำโวลต์มิเตอร์ไปวัดแรงดันค่ามากๆ ย่อมส่งผลให้กระแสไหลผ่านเข้าโวลต์มิเตอร์มากตามไปด้วย ซึ่งถ้ามากเกินกว่าที่โวลต์มิเตอร์ทนได้ ก็ไม่สามารถนำโวลต์มิเตอร์ไปวัดแรงดันค่านั้นได้ การดัดแปลงให้ดาร์สันวาล์มิเตอร์ แอมมิเตอร์เดิม หรือโวลต์มิเตอร์เดิมสามารถวัดแรงดันได้สูงมากขึ้น ทำได้โดยใช้ตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานเหมาะสมมาต่ออนุกรมกับมิเตอร์เดิม เพื่อจำกัดจำนวนกระแสที่ไหลผ่านเข้าโวลต์มิเตอร์ไม่ให้เกินกว่าค่ากระแสเดิมที่มิเตอร์ทนได้ ทำให้สามารถนำโวลต์มิเตอร์ไปวัดค่าแรงดันได้สูงมากขึ้นตามต้องการ ตัวต้านทานที่นำมาต่ออนุกรมกับดาร์สันวาล์มิเตอร์ แอมมิเตอร์เดิม หรือโวลต์มิเตอร์เดิม เพื่อให้โวลต์มิเตอร์วัดแรงดันได้มากขึ้นเรียกว่า ตัวต้านทานอนุกรม (Series Resistor) หรือตัวต้านทานทวีคูณ (Multiplies Resistor)

รูปที่3.1 ดาร์สันวาล์มิเตอร์ที่เพิ่มตัวต้านทานอนุกรมเข้าไป

จากรูปที่3.1 แสดงดาร์สันวาล์มิเตอร์ที่เพิ่มตัวต้านทานอนุกรมเข้าไป มีผลทำให้ดาร์สันวาล์มิเตอร์กลายเป็น มิลลิโวล์มิเตอร์ โวลต์มิเตอร์ หรือกิโลโวลต์มิเตอร์ การจะทำมิเตอร์ให้วัดแรงดันย่านใดหรือขนาดใดนั้น ขึ้นอยู่กับขนาดความต้านทานอนุกรมที่นำมาต่อ มีค่าความต้านทานมากน้อยเพียงไร ความต้านทานอนุกรมมีค่าน้อย จะวัดแรงดันได้ต่ำ อาจเป็นมิลลิโวลต์หรือโวลต์ ถ้าความต้านทานอนุกรมมีค่ามาก จะวัดแรงดันได้สูง อาจเป็นกิโลโวลต์ ยิ่งค่าความต้านทานอนุกรมสูงขึ้นเท่าไร โวลต์มิเตอร์ยิ่งวัดกระแสได้สูงมากขึ้นเท่านั้น
ตัวต้านทานอนุกรมที่ใช้ต่อให้โวลต์มิเตอร์ไฟตรงวัดแรงดันได้เพิ่มขึ้นนั้น นอกจากจะต่อภายในโวลต์มิเตอร์แล้ว ยังสามารถต่อภายนอกโวลต์มิเตอร์ได้ด้วย เพื่อช่วยทำให้โวลต์มิเตอร์ตัวเดิมสามารถนำไปวัดแรงดันไฟตรงได้สูงมากขึ้น โดยต่ออนุกรมกับโวลต์มิเตอร์ตัวเดิม ตัวต้านทานอนุกรมต่อภายนอกจะเป็นตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานสูงมากๆ เมื่อต่อตัวต้านทานอนุกรมเข้าไปทำให้โวลต์มิเตอร์ตัวเดิมวัดแรงดันได้สูงมากขึ้น อาจเป็นกิโลโวลต์หรือหลายสิบหลายร้อยกิโลโวลต์ ซึ่งขณะวัดค่าจะมีอันตรายจากไฟฟ้าดูด ต้องต่อวัดด้วยความระมัดระวัง ตัวต้านทานชนิดนี้จึงถูกสร้างไว้ในกล่องอย่างมิดชิดปลอดภัย

3.3 สเกลหน้าปัดและย่านวัดโวลต์มิเตอร์ไฟตรง

สเกลหน้าปัดของโวลต์มิเตอร์ ถูกสร้างขึ้นมาให้สามารถแสดงค่าปริมาณแรงดันที่วัดได้ออกมาโดยตรง จะต้องแสดงค่าปริมาณแรงดันจากค่าน้อยๆ ไปจนถึงปริมาณแรงดันค่ามากๆ สเกลหน้าปัดของโวลต์มิเตอร์ไฟตรงจะมีเลขศูนย์อยู่ด้านซ้ายของสเกล และตัวเลขค่อยๆ มากขึ้นเป็นลำดับตามตำแหน่งสเกลที่เลื่อนมาทางด้านขวามือ ขณะปกติที่โวลต์มิเตอร์ไม่ใช้งาน เข็มชี้ของโวลต์มิเตอร์ต้องชี้ที่เลขศูนย์เสมอ เมื่อมีแรงดันป้อนให้โวลต์มิเตอร์เข็มชี้จึงเริ่มบ่ายเบนไปทางขวามือ การบ่ายเบนไปของเข็มชี้มีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณของแรงดันที่ป้อนเข้ามา ป้อนแรงดันให้น้อยเข็มชี้บ่ายเบนไปน้อย ป้อนแรงดันให้มากเข็มชี้บ่ายเบนไปมาก แสดงค่าออกมาที่สเกลหน้าปัด ลักษณะหน้าปัดและสเกลของโวลต์มิเตอร์ แสดงดังรูปที่3.2

รูปที่3.2 สเกลหน้าปัดของโวลต์มิเตอร์ไฟตรงแบบหนึ่ง

จากรูปที่3.2 แสดงสเกลหน้าปัดของโวลต์มิเตอร์ไฟตรงแบบหนึ่ง แสดงค่าแรงดันที่วัดได้ออกมาเป็นโวลต์ไฟตรง ช่องของสเกลถูกแบ่งออกย่อยๆ ในระยะห่างเท่ากัน จากค่าน้อย ด้านซ้ายไปค่ามากด้านขวา มีย่านวัดค่าได้เต็มสเกลแบ่งออกเป็น 3 ย่าน คือ ย่าน 0-35V, ย่าน 0-130V และย่าน 0-700V ใช้แสดงค่าแรงดันวัดได้สูงสุดแต่ละย่าน

3.4 การต่อโวลต์มิเตอร์วัดแรงดันไฟตรง

โวลต์มิเตอร์ไฟตรงเป็นมิเตอร์วัดปริมาณแรงดันไฟตรงหรือความต่างศักย์ไฟตรงที่ป้อนให้วงจรไฟฟ้า หรือแรงดันไฟตรงตกคร่อมระหว่างจุดสองจุดในวงจรไฟฟ้า การวัดแรงดันไฟตรงด้วยโวลต์มิเตอร์ เหมือนกับการวัดความดันน้ำในท่อส่งน้ำด้วยเกจวัดความดันน้ำ เป็นลักษณะเดียวกันกับการวัดแรงดันในวงจรไฟฟ้า ต้องใช้โวลต์มิเตอร์วัดคร่อมวงจรไฟฟ้าที่ตำแหน่งต้องการวัด คือต้องต่อขนาน (Parallel) กับวงจรไฟฟ้าที่วัดแรงดันเสมอ ลักษณะการต่อโวลต์มิเตอร์วัดแรงดันไฟตรง แสดงดังรูปที่3.3

รูปที่3.3 การต่อโวลต์มิเตอร์ไฟตรงวัดแรงดันในวงจรไฟฟ้า

จากรูปที่3.3 แสดงการต่อโวลต์มิเตอร์ไฟตรงวัดแรงดันในวงจรไฟฟ้า จะเห็นว่าโวลต์มิเตอร์ไฟตรงต่อคร่อมขนานกับจุดต่อวัดที่ต้องการทราบค่าแรงดันไฟตรง การต่อโวลต์มิเตอร์ไฟตรงวัดแรงดันไฟตรง ต้องคำนึงถึงขั้วของโวลต์มิเตอร์ที่วัดคร่อมวงจรด้วย โดยขั้วของโวลต์มิเตอร์ไฟตรงต้องตรงกับขั้วของแหล่งจ่ายแรงดันไฟตรง หรือตรงกับขั้วของแรงดันที่ตกคร่อมวงจรตำแหน่งที่ต่อวัด ใช้หลักการต่อวัดค่าดังนี้ ใกล้บวกต่อบวก ใกล้ลบต่อลบ หมายถึงการต่อโวลต์มิเตอร์คร่อมวงจรไฟฟ้า ต้องต่อให้ขั้วบวกของโวลต์มิเตอร์คร่อมจุดวัดที่ต่อใกล้ขั้วบวกแหล่งจ่าย และต่อให้ขั้วลบของโวลต์มิเตอร์คร่อมจุดวัดที่ต่อใกล้ขั้วลบแหล่งจ่าย จากรูปจะเห็นว่าด้านบนจุดวัดของโวลต์มิเตอร์ใกล้ขั้วลบของแบตเตอรี่ต้องใช้ขั้วลบของโวลต์มิเตอร์ต่อ และด้านล่างจุดวัดของโวลต์มิเตอร์ใกล้ขั้วบวกของแบตเตอรี่ต้องใช้ขั้วบวกของโวลต์มิเตอร์ต่อ การต่อผิดขั้วโวลต์มิเตอร์ไฟตรงวัดค่าไม่ได้ และอาจทำให้โวลต์มิเตอร์ไฟตรงชำรุดเสียหายได้

3.5 การคำนวณวงจรโวลต์มิเตอร์

ความสำคัญของตัวต้านทานอนุกรม ที่ต่อร่วมกับดาร์สันวาล์มิเตอร์หรือโวลต์มิเตอร์แบบอนุกรมนั้น ทำหน้าที่เป็นตัวช่วยลดปริมาณกระแสไฟตรงที่ไหลผ่านเข้าไปยังขดลวดเคลื่อนที่ของดาร์สันวาล์มิเตอร์ ไม่ให้มากเกินกว่าค่ากระแสเดิมที่ขดลวดทนได้ ไม่ว่าแรงดันที่ป้อนเข้ามามากน้อยเพียงไรก็ตาม ด้วยเหตุนี้ตัวต้านทานอนุกรมที่นำมาใช้งานจึงมีค่าความต้านทานสูง อาจเป็นกิโลโอห์ม (k) หรือเมกโอห์ม (M) ค่าความต้านทานที่นำมาใช้งานจะใช้มากน้อยเพียงไรขึ้นอยู่กับค่าปริมาณแรงดันที่ต้องการให้โวลต์มิเตอร์วัดได้ เช่นต้องการให้วัดแรงดันได้ต่ำใช้ความต้านทานค่าต่ำ หรือต้องการให้วัดแรงดันได้สูงใช้ความต้านทานค่าสูง โดยค่าความต้านทานอนุกรมที่นำมาใช้งานต้องมีค่าเหมาะสมและสัมพันธ์กับดาร์สันวาล์มิเตอร์ หรือโวลต์มิเตอร์แต่ละตัวโดยเฉพาะ การหาค่าความต้านทานอนุกรมที่เหมาะสมหาได้โดยใช้วิธีคำนวณ วงจรโวลต์มิเตอร์ใช้ในการคำนวณ แสดงดังรูปที่3.4

(ก) รูปอุปกรณ์ (ข) รูปสัญลักษณ์

รูปที่3.4 วงจรโวลต์มิเตอร์ไฟตรงเบื้องต้น

จากรูปที่3.4 แสดงวงจรโวลต์มิเตอร์ไฟตรงเบื้องต้นใช้ในการคำนวณ วงจรประกอบด้วยดาร์สันวาล์มิเตอร์มีค่าความต้านทานมิเตอร์ Rm ต่ออนุกรมร่วมกับตัวต้านทานอนุกรม มีค่าความต้านทาน Rs เมื่อป้อนแรงดันเข้าไปในวงจรมิเตอร์มีค่า Efs มีผลให้เกิดกระแสไหลผ่านเข้าวงจรมิเตอร์เป็น Ifs ซึ่งมีค่าเท่ากับกระแสของตัวมิเตอร์ Im กระแสที่ไหลผ่านเข้าวงจรโวลต์มิเตอร์ไฟตรงต้องไม่เกินค่ากระแสเต็มสเกลเดิมของดาร์สันวาล์มิเตอร์หรือโวลต์มิเตอร์ตัวนั้น อักษรย่อต่างๆ มีรายละเอียดดังนี้
Rm = ความต้านทานของขดลวดเคลื่อนที่ในดาร์สันวาล์มิเตอร์
หรืออาจเรียกว่าความต้านทานเดิมของมิเตอร์ หน่วยโอห์ม ()
Rs = ความต้านทานอนุกรมใช้ขยายย่านวัดของโวลต์มิเตอร์ หน่วยโอห์ม ()
Im = Ifs = กระแสสูงสุดที่ดาร์สันวาล์มิเตอร์ทนได้หรือกระแส
เต็มสเกลที่ไหลผ่านมิเตอร์ หน่วยแอมแปร์ (A)
Efs = แรงดันไฟตรงเต็มสเกลครั้งใหม่ที่โวลต์มิเตอร์วัดได้ หน่วยโวลต์ (V)
การหาสมการของวงจรรูปที่3.4 หาได้โดยใช้กฎของโอห์มดังนี้

ตัวอย่างที่3.1 มิเตอร์ตัวหนึ่งวัดกระแสได้เต็มสเกล 1 mA มีความต้านทาน 50 หากต้องการดัดแปลงให้วัดแรงดันไฟตรงได้สูงสุด 30V ต้องใช้ตัวต้านทานต่ออนุกรมในวงจรมีค่าเท่าไร

รูปที่3.5 วงจรเปลี่ยนย่านวัดโวลต์มิเตอร์เป็น 30V ใช้ในตัวอย่างที่3.1

วิธีทำ

ต้องใช้ตัวต้านทานต่ออนุกรมมีค่า 29.95k ตอบ

ตัวอย่างที่3.2 โวลต์มิเตอร์ตัวหนึ่งมีความต้านทานภายใน 120 วัดกระแสได้สูงสุด 25mA ต่ออนุกรมร่วมกับตัวต้านทานมีค่า 3,880 โวลต์มิเตอร์ตัวนี้จะวัดแรงดันไฟตรงได้สูงสุดเท่าไร

รูปที่3.6 วงจรโวลต์มิเตอร์ต้องการทราบแรงดันสูงสุดที่วัดได้ ใช้ในตัวอย่างที่3.2

วิธีทำ

โวลต์มิเตอร์สามารถวัดแรงดันได้สูงสุด 100V ตอบ