交流電壓表使用的有關(guān)問題

交流電壓表使用的有關(guān)問題

在高中物理教學(xué)中，有一個普遍的認識，那就是用交流電壓表測量電壓，電表的讀數(shù)是電壓的有效值。筆者對此一直存有疑問。于是在某下午，用MF47型多用電表，J1202-1型學(xué)生電源進行了一系列實驗。結(jié)果如下。圖1(1)用多用電表的交流10V擋測量電源的交流輸出電壓，讀數(shù)為9.2V；(2)在電源上串聯(lián)IN4007型二極管，如圖1所示。用電表的交流10V擋測量交流輸出電壓，讀數(shù)為8.8V；將紅黑表筆互換，讀數(shù)為零；(3)用電表的直流10V擋測量電源的交流輸出電壓，在表筆剛接觸時有很小的偏轉(zhuǎn)，多次測量，偏轉(zhuǎn)方向不確定，穩(wěn)定時讀數(shù)為零；(4)在電源上串聯(lián)IN4007型二極管，用電表的直流10V擋測量，如圖2，讀數(shù)為4.3V；將紅黑表筆互換，指針反偏，未能得到讀數(shù)；圖2(5)用電表的直流10V擋測量電源的直流輸出電壓，讀數(shù)為4.7V；(6)用電表的交流10V擋測量電源的直流輸出電壓，如圖3，讀數(shù)為9.0V；將紅黑表筆互換，讀數(shù)為零。圖3作出交流電壓隨時間變化的圖像如圖4所示。有效值為最大值的倍。根據(jù)上面的計算，當電壓為9.2V時，電壓的最大值為13。0V；經(jīng)整流后，電壓的有效值為6.5V，與實際測量的結(jié)果相去甚遠。為什么？圖6通過查找和分析電表的內(nèi)部電路，筆者找到了問題的根本。圖6為MF47型多用電表電壓表部分的電路圖。圖中虛線框1為金屬滑片，通過它來選擇量程；虛線框4為電表表頭；虛線框2為兩個二極管，起過載保護作用；虛線框3是一個電容量較大的電容器，交流成分主要從電容通過；虛線框5中的二極管起整流的作用。當測量交流電壓時，在交流電壓的正半周，電流通過虛線框5中右下方的二極管，一部分電流通過3.01k的電阻后直接流出，另一部分流向表頭。其中的直流成分流過表頭，交流成分的絕大部分通過電容器。在電流的負半周，電流流過虛線框5中左側(cè)的二極管，不通過表頭。也就是說，電表測交流電是先整流，再濾波變成直流電后進行測量的。當測圖5所示的電壓時，如果紅表筆接高電勢，則電流順利地通過電表中的二極管，流向表頭測量，其結(jié)果與測量圖4所示的電壓相同。之所以在測量時出現(xiàn)0.4V的差值，是由于我們在電源上串聯(lián)的IN4007型二極管分壓所致。如果黑表筆接高電勢，電流將不通過表頭，讀數(shù)為零。用直流擋測量圖5所示的電壓時，電表的讀數(shù)為經(jīng)半波整流后再經(jīng)過濾波得到的直流電壓值。根據(jù)電工學(xué)的知識可知，此電壓為電壓的平均值，。所以當電壓的有效值為8.8V時，經(jīng)半波整流、濾波后的直流電壓值為4.0V。因為不通過二極管整流，所以使用圖3所示電路測量時，電表反偏。由于正弦交流電經(jīng)半波整流后再經(jīng)過濾波得到的直流電壓值不等于原正弦交流電的有效值，為了顯示有效值，交流電表的測量電路與直流電表的電路結(jié)構(gòu)和分壓電阻的阻值并不一樣。所以我們用交流擋測直流電壓時，讀數(shù)會比用直流電壓擋測量時得到的電壓值要大。由于虛線框5中的二極管在整流的同時也會分壓，所以當待測量的電壓比較小時，二極管的電阻比較大，由這個二極管分壓帶來的影響會比較大。因此這種結(jié)構(gòu)的電表，交流小電壓擋的刻度線是不均勻的，在讀數(shù)較小的一端，刻度線比較密，過小的電壓甚至無法讀出。而對于大電壓，由二極管分壓帶來的影響較小，可以忽略，交流電壓刻度線也是均勻的。從上面的分析可以看出，交流電壓表在測量時也是先把交流