認識萬用電表

一月 19, 2017
Facebook
Twitter
所有的電子工具中,我覺得萬用電表是最不可或缺的。它可以告訴你電路中任兩端之間的電壓差,也能告訴你有多少電流流經。你可以藉此找到接線出錯的地方,也可以評估某個元件要用的電阻或電容,後者亦即該元件儲存電荷的能力。
如果你剛開始接觸這塊領域,這些詞語可能會讓你覺得很困惑,你也可能會覺得萬用電表看起來很複雜且很難用。但萬用電表並非如此,它會讓你的學習過程更加輕鬆,因為它可以告訴你許多你看不到的事情。
圖片

圖A

圖片

本文摘錄自《Make: Electronics》第二版,可於Maker Shed購買(中文編輯部註:該書續篇《圖解電子實驗進階篇》繁體中文版將於2017年2月14日出版)。

在我開始討論該買哪種電表前,我可以先告訴你不要買哪一種。請不要買用指針在刻度上移動的老式電表,如圖A。它被稱為指針式萬用電表。
你應該選擇數位式萬用電表,以數字呈現數值。為了讓你有概念,以下我舉了四個例子。
圖片

圖B

圖B是我能找到最便宜的數位式萬用電表,比一本平裝小說或六瓶汽水還便宜。它無法測量太高的電阻或太低的電壓,準確度也不高,也沒有辦法測量電容。但是如果你的預算非常有限,可以用它來進行基本專題。
圖片

圖C

圖C的電表準確度較高,功能也較多。這種電表,或是類似的電表,是學習電子學的入門款首選。
圖片

圖D

圖D的價格較高,但品質較好。圖中這款已經沒有再生產,但你可以找許多類似款,價格可能會是圖C 中NT牌的二到三倍。Extech是家信譽良好的公司,在面對其他品牌削價競爭的時候,仍努力維持其品質。
圖片

圖E

圖E是我在寫這篇文章時的愛用電表,具有我需要的所有功能,能測量的電壓範圍很廣,準確度也高。然而,它的價格不斐,比起主打便宜的電表貴上20倍以上。我將這臺電表當做是長期投資來看待。
要如何決定該買哪臺電表呢?這樣說好了,如果你在學開車,你不需要一輛非常昂貴的汽車。同樣地,如果你還在學習電子學,你也不需要一臺要價不斐的電表。然而最便宜的電表可能也會有些缺點,例如內部的保險絲不易更換,或是旋鈕容易損壞等。如果你想要選擇不貴又可以接受的電表,我的經驗法則是:上eBay搜尋你可以找到最便宜的電表,然後把價格乘以二,用那個價錢做為指標。
不管你花了多少錢,以下這些屬性和功能都相當重要。

檔位​

電表可以測量的範圍太大了,因此需要有限定檔位的方法。有些電表是手動選擇檔位,你要轉動旋鈕,選擇大概的數值檔位,例如2至20伏特。
有些電表則是自動選擇檔位,相較之下更為方便,因為你只要接上電表並等待,它就可以自己理出頭緒了。然而,這裡的重點就是「等待」,只要是使用自動選擇檔位電表來測量,你都必須等待幾秒,讓電表跑完內部的測量。我個人比較沒有耐心,所以我比較喜歡手動選擇檔位
自動選擇檔位的另一個問題是,由於你沒有自己選擇檔位,所以必須特別注意顯示器上的小文字,告訴你電表所選的單位是哪個。舉例來說,K和M在測量電阻的差別上,就差了1000。在這裡我想提出建議:在一開始接觸電子學時,使用手動選擇檔位較好。這樣你就會有較少機會出錯,代價也不會太大。
在賣家的敘述上通常都會標明是手動選擇檔位或自動選擇檔位,如果沒有的話,你可以觀察旋鈕的部分,如果旋鈕的周圍都沒有數字,那就是自動選擇檔位。圖D的電表是自動選擇檔位,其他的都不是。

數值

旋鈕也會顯示有哪些可能的測量種類。你至少要有以下幾種選擇:
圖片

這些都是希臘符號omega,用來表示電阻

伏特安培歐姆,通常都是用字母縮寫V、A、以及Ω的符號,也就是希臘的字母omega,如圖F所示。也許你現在不知道這些代表什麼,但這些都是最基礎的知識。
你的電表也要能夠測量毫安培(縮寫mA)和毫伏特(mV),或許電表上的旋鈕沒有直接標明,但規格表上會提到。
DC/AC代表直流電跟交流電,你可以用DC/AC按鈕或旋鈕選擇,按鈕式的應該更方便。
連續性測試是個很實用的功能,可以檢查電路中接觸不良或是斷掉的地方。這種情形最好要有個警示音提醒,在這裡以中間有個圓點,一邊有半圓形線條向外擴張的圖示呈現​,如圖G。
圖片

圖G。這個符號代表連續性測試電路的選項,反饋時會發出聲音。這是個很好用的功能

至於其他附加功能,你應該要選擇購買具有以下功能的電表,按照重要順序排列:
電容。大部分的電路迴圈都有個小型元件叫做電容,由於小型電容通常不會印有數值,因此能夠測量這些電容的數值就顯得很重要,特別是在電容混在一起的時候,或是(最糟的狀況)掉在地上。很便宜的電表通常沒辦法測量電容,如果有這項功能,通常都是用字母F表示,代表電容的單位法拉,CAP這個縮寫也有可能被用到。
電晶體測試的小洞會標註E、B、C、E,你可以把電晶體放入洞中,來決定電晶體應該放在電路的哪裡,或是檢查你是否把電晶體燒壞了。
頻率的縮寫是Hz。
• • •

嚐嚐看電的味道

你嘗過電的味道嗎?這不無可能。
你需要:

  • 9伏特電池
  • 萬用電表
注意:不能超過9伏特!這個實驗只能用9伏特的電池,嚴禁使用更高伏特的電池,也不得使用可以釋放更多電流的大型電池。此外,如果你有戴牙套,請不要碰觸到電池。最重要的是,千萬不要用任一種尺寸的電池通電觸碰你皮膚破皮的地方。

步驟

​讓你的舌頭上充滿唾液,用舌尖觸碰9伏特電池的金屬端。
你有感覺到那微微麻麻的感覺嗎?把電池放一旁,伸出你的舌頭,用紙巾把舌尖擦乾,再次觸碰電池,你應該比較不會感到麻麻的。
這是怎麼一回事?你可以藉由電表得知。

設定電表

你的電表本身就裝有電池嗎?用旋鈕選擇任一種模式,等看看儀表有沒有顯示數字,如果沒有數字,你得在使用前把電表打開,裝好電池,可以參考電表說明書。
圖片

圖1。電表的導線,尾端有金屬探針

電表都配有一條紅色導線跟一條黑色導線,每條導線的一端是插頭,另一端則是金屬探針。把插頭插到電表,然後把探針放到你想知道怎麼一回事的地方。見圖1,探針偵測到電流,雖然流量不大。面對小量電流跟伏特時,探針不會傷到你(除非你用尖端去戳你自己)。
圖片

圖2。注意看電表插孔的標示

圖片

圖3。這個電表的插孔功能各有不同

有的電表有三個插孔,有的則有四個(見圖2和3),以下是一些原則:
一個插孔應該會標示COM,這個插孔適合各式的測量,只要把黑色導線插入即可。
另外一個插孔應該要有標註歐姆(Ω)的圖示,還有代表伏特的字母V。它可以測量電阻或是伏特。把紅色導線插到這個插孔。
伏特/歐姆插孔也可以用來測量毫安培(mA)的微電流,你也有可能可以找到另一個專門的插孔。如果有,把紅色導線插入該插孔。
其他額外的插孔可能會標示2A、5A、10A、20A等,以表示最大安培量。這個插孔是用來測量高電流。

基礎知識:歐姆

首先,我們要測量你舌頭的電阻,單位是歐姆。但是歐姆是什麼呢?
我們用哩或公里來測量距離,用磅或公斤來測量重量,用華氏或攝氏來表示溫度。電阻的單位則是歐姆,歐姆是一個國際單位,以電子領域先驅Georg Simon Ohm為名。
希臘符號omega(Ω)代表歐姆,但若電阻超過999歐姆,則以大寫K表示,意思是千歐姆(kilohm,也就是1000歐姆。舉例來說,1500歐姆的電阻就是1.5K。
若超過999,999歐姆,則用字母M代表,意思是百萬歐姆(megohm,也就是1,000,000歐姆。在日常生活用語中,我們都會稱百萬歐姆為百萬歐(meg),如果有人說2.2百萬歐電阻,其數值就是2.2M。
圖4是歐姆、千歐姆和百萬歐姆的參考表格。
圖片

圖4

在歐洲,R、K、M會用小數點取代,降低發生錯誤的機率,因此5K6在歐洲的電路圖上顯示為5.6K;6M8為6.8M;6R8則為6.8歐姆。在此我不會使用歐洲的標示方法,但你可能會在其他的電路圖看到這種標示。
如果該材料有非常高的電阻,便稱為絕緣體。大部分的塑膠,包含電線的有色外層,都是絕緣體。
若該材料電阻很低,則稱為導體。金屬類如銅、鋁、銀、金,都是優良的導體。

測試你的舌頭

檢查你的萬用電表上的旋鈕,你會看到至少有一個選項標註歐姆記號。如果是自動選擇檔位的電表,把旋鈕轉到標示歐姆符號的地方,如圖5。用探針輕輕觸碰你的舌頭,等待電表自動選擇檔位,觀察字母K的數字呈現。千萬不要把探針插進你的舌頭!
圖片

圖5。如果是自動選擇檔位的電表,只要把旋鈕轉到標有歐姆(Ω)符號的地方即可

如果是手動選擇檔位的電表,你要自己選擇測量數值。測量舌頭的電流,大概選擇200K(200,000歐姆)就差不多了。請注意旋鈕的數字代表的是最大值,所以200K代表的是「小於200,00歐姆」,而20K代表「小於20,000歐姆」。請見圖6的手動電表圖。
圖片

圖6。手動電表要自行選擇檔位

把探針放在你的舌頭上,兩根探針相距約1吋。注意看電表的數字,應該會在50K左右。現在把探針放下,伸出舌頭,用紙巾仔細把舌頭擦乾。在舌頭再次變得濕潤前,重複先前的測試,這次的數字應該會更高。若使用手動選擇檔位的電表,可能需要選擇較高的測量範圍才看得出電阻數值。
如果你的皮膚是濕潤的(譬如說流汗的時候),電阻會降低。這個原則也用於測謊器,如果一個人說謊,通常會因為壓力而流汗。
你的測試結果可能會有這樣的結論:低電阻可以讓較多電流通過,而從第一個測試中,我們知道如果電流較多,舌頭麻麻的感覺較明顯。

基礎知識:電池內部

一開始你用電池做舌頭測試的時候,我沒有解釋電池的運作原理,現在我要來補充說明。
9伏特電池內有化學物質,可以釋放電子(電的粒子),它們因為化學作用而產生從一端流向另一端的流動。若把電池裡面的粒子想成兩座水塔,其中一座是滿的,另一座是空的,如果把兩個水塔用水管或是活門連結起來,水會流動直到兩邊的水平面高度一致。圖7可以幫助你視覺化這個概念。同樣地,當你開啟電池兩端的電流路徑,電子就會在這兩端之間流動,你舌頭上的溼度就是其中的一種路徑。
圖片

圖7。你可以把電池想做一對連結的水塔

比起沒有介質(如乾燥的舌頭),有介質時電子的流動較容易(如濕潤的舌頭)。

進一步探索

這個舌頭測試並不是一個非常嚴謹的實驗,因為每次測試的時候,探針之間的距離並非固定。你覺得這會影響到實驗結果嗎?我們來看看。
把萬用電表的兩根探針尖端之間距離控制在¼",觸碰你濕潤的舌頭。然後把距離拉至1”,再試一次,你得到的數值是多少呢?
當電流的傳遞距離較短,所遇到的電阻較低,因此電流就會上升。
用你的手臂做類似的實驗,如圖8所示。你可以用固定的步驟調整探針之間的距離,例如¼”,留意電表所顯示的電阻數值。你覺得把距離拉到兩倍,電阻的數值也會變成兩倍嗎?如何證明或是推翻呢?
圖片

圖8。改變探針之間的距離,並注意電表上的數值

如果你的萬用電表所量到的電阻太高,你會看到一個錯誤的訊息,例如L,而不是顯示數值。讓你的皮膚變得更加濕潤,然後重新測試,應該就能得到結果。但這裡有個問題,隨著你皮膚上的水分蒸發,電阻也會跟著改變。這樣你就知道要控制一個實驗裡所有的因素有多困難,這些因素通常稱做不可控變因
還有一個變因我還沒有提到,也就是探針與皮膚之間的壓力值。如果你用力壓,我們預期電阻會消失,但你可以證明嗎?要如何設計一個可以排除這個變因的實驗呢?
如果你受夠了測試皮膚的電阻,你可以試看看把探針丟進一杯水裡,然後把鹽巴在水裡溶化,進行測試。相信你一定聽過水可以導電,但是完整版的故事並不是這麼簡單,水裡的雜質扮演不可或缺的角色。
如果水裡沒有一點雜質,你覺得測試電組的結果會是什麼?首先,你要先取得乾淨的水。通常所謂的淨化水淨化後都會添加礦物質,所以不是你要的。泉水也不是完全純淨的。你能用的是蒸餾水,也就是所謂的去離子水,可以在超市買到。​我想你會發現這種水的電阻,會隨著探針之間的距離增加而跟著增加,而且也比你舌頭的電阻還高,你可以試試看。
這些是所有我現在可以想到跟電阻有關的實驗,但我還有些背景知識想跟你分享。

背景:發現電阻的人

圖9中的Georg Simon Ohm生於1787年的巴伐利亞,一生大多時間都沒沒無聞,以自製的金屬電路鑽研電子的天性(1800年前期,你沒有辦法開車去居家用品店買一大把的電子線)。
圖片

圖9。因為其先驅研究而聞名的Georg Simon Ohm。他的一生幾乎沒沒無聞

儘管他的資源有限,數學能力也不夠完善,Ohm於1827年證明了導體的電阻,例如銅,只要溫度不變,其電阻的變化會與其橫截面面積成反比,而流經的電流會與施加的伏特量成正比。14年後,倫敦的皇家學會終於認可他的貢獻,並頒發科普利獎章給他。如今,我們將他的發現稱為歐姆定律。

善後與回收

這個實驗應該不會讓你的電池受損,或是耗盡電力,你下次還可以再使用。
把萬用電表收起來前,請記得把開關關掉。如果你隔一段時間沒有使用,大部分的萬用電表都會有警示音,提醒你關閉電源,有一些則不會。電表開啟時所使用的電力非常少,拿來測量時也是。
(呂紹柔)
原文
Social media & sharing icons powered by UltimatelySocial