Jedan od najjednostavnijih načina mjerenja struje u električnom krugu je mjerenje pada napona na otporniku u seriji s opterećenjem. Ali kada struja prolazi kroz ovaj otpornik, na njemu se oslobađa beskorisna snaga u obliku topline, pa je odabrana kao najniža moguća vrijednost, što zauzvrat podrazumijeva naknadno pojačanje signala. Treba napomenuti da dolje navedeni krugovi omogućuju upravljanje ne samo konstantnom, već i impulsnom strujom, iako s odgovarajućim izobličenjima koja su određena širinom pojasa elemenata za pojačavanje.
Mjerenje struje u negativnom polu tereta.
Krug za mjerenje struje opterećenja u negativnom polu prikazan je na slici 1.
Ovaj dijagram i dio informacija su posuđeni iz časopisa. „Komponente i tehnologije“ broj 10 za 2006. godinu. Mihail Puškarev [e-mail zaštićen]
prednosti:
nizak ulazni zajednički napon;
ulazni i izlazni signali imaju zajedničku masu;
jednostavnost implementacije s jednim napajanjem.
Nedostaci:
opterećenje nije izravno spojeno na tlo;
nema mogućnosti prebacivanja opterećenja s ključem u negativnom polu;
mogućnost kvara mjernog kruga u slučaju kratkog spoja u opterećenju.
Mjerenje struje u negativnom polu tereta nije teško. Mnoga op-pojačala su prikladna za tu svrhu, dizajnirana za rad s unipolarnim napajanjem. Krug za mjerenje struje pomoću operacijskog pojačala prikazan je na Sl. 1. Odabir određene vrste pojačala određen je traženom preciznošću, na koju uglavnom utječu pomak nule pojačala, njegov temperaturni drift i pogreška podešavanja pojačanja te potrebna brzina strujnog kruga. Na početku ljestvice neizbježna je značajna pogreška pretvorbe, uzrokovana različitom od nule vrijednosti minimalnog izlaznog napona pojačala, koja je beznačajna za većinu praktičnih primjena. Da bi se uklonio ovaj nedostatak, potrebno je bipolarno napajanje pojačala.
Mjerenje struje u pozitivnom polu tereta
prednosti:
opterećenje je uzemljeno;
otkriven je kratki spoj u opterećenju.
Nedostaci:
visok ulazni napon zajedničkog moda (često vrlo visok);
potreba za pomicanjem izlaznog signala na razinu prihvatljivu za naknadnu obradu u sustavu (referenca na "uzemljenje").
Razmotrimo sklop za mjerenje struje u pozitivnom polu opterećenja pomoću operacijskih pojačala.
U dijagramu na sl. 2, možete koristiti bilo koje od prihvatljivih operativnih pojačala opskrbnog napona dizajniranih za rad s jednim napajanjem i maksimalnim ulaznim zajedničkim naponom koji doseže napon napajanja, kao što je AD8603. Maksimalni napon napajanja kruga ne može premašiti najveći dopušteni napon napajanja pojačala.
Ali postoje operacijska pojačala koja mogu raditi na ulaznim zajedničkim naponima znatno iznad napona napajanja. U krugu koji koristi op-amp LT1637 prikazan na Sl. 3, napon napajanja opterećenja može doseći 44 V s op-amp opskrbnim naponom jednakim 3 V. Za mjerenje struje u pozitivnom polu opterećenja s vrlo malom pogreškom, instrumentalna pojačala kao što su LTC2053, LTC6800 od Linearna tehnologija, INA337 tvrtke Texas Instruments su prikladni. Postoje specijalizirani mikro krugovi za mjerenje struje u pozitivnom polu, na primjer - INA138 i INA168.
INA138 i INA168
- visokonaponski, unipolarni strujni monitori. Širok raspon ulaznog napona, niska potrošnja struje i mala veličina - SOT23 omogućuju korištenje ovog mikrosklopa u mnogim krugovima. Napon napajanja je 2,7 V do 36 V za INA138 i 2,7 V do 60 V za INA168. Ulazna struja nije veća od 25 μA, što omogućuje mjerenje pada napona na šantu s minimalnom pogreškom. Mikrokrugovi su strujno-naponski pretvarači s faktorom pretvorbe od 1 do 100 ili više. INA138 i INA168 u kućištima SOT23-5 imaju raspon radnih temperatura od -40°C do +125°C.
Tipični sklopni sklop preuzet je iz dokumentacije za ove mikro krugove i prikazan je na slici 4.
OPA454
Novo je jeftino visokonaponsko operacijsko pojačalo tvrtke Texas Instruments s izlaznom strujom većom od 50 mA i širinom pojasa od 2,5 MHz. Jedna od prednosti je visoka stabilnost OPA454 na jedinici pojačanja. 
Unutar op-pojačala organizirana je zaštita od previsoke temperature i prekomjerne struje. IC ostaje u funkciji u širokom rasponu napona napajanja od ± 5 do ± 50 V ili, u slučaju jednog napajanja, od 10 do 100 V (maksimalno 120 V). OPA454 ima dodatni pin “Status Flag” - statusni izlaz op-pojačala s otvorenim odvodom - koji vam omogućuje rad s logikom bilo koje razine. Ovo visokonaponsko operativno pojačalo ima visoku točnost, širok raspon izlaznog napona i ne uzrokuje probleme s faznom inverzijom koji se često susreću kod jednostavnih pojačala.
Tehničke karakteristike OPA454:
Širok raspon napona napajanja od ± 5 V (10 V) do ± 50 V (100 V)
(maksimalno do 120 V)
Velika maksimalna izlazna struja> ± 50 mA
Širok raspon radnih temperatura od -40 do 85 ° C (maksimalno od -55 do 125 ° C)
Kućište SOIC ili HSOP (PowerPADTM)
Podaci za mikrosklop su dati u "Vijestima elektronike" broj 7 za 2008. godinu. Sergej Pičugin
Pojačalo strujnog shunt signala na glavnoj tračnici napajanja.
U radioamaterskoj praksi, za krugove čiji parametri nisu tako strogi, prikladna su jeftina dvostruka op-pojačala LM358, koja omogućuju rad s ulaznim naponima do 32 V. Slika 5 prikazuje jedan od mnogih tipičnih sklopnih krugova LM358 kao monitor struje opterećenja. Usput, nemaju sve "podatkovne tablice" sheme za njegovo uključivanje. Po svoj prilici, ova shema je bila prototip sheme dane u časopisu "Radio" I. Nechaev i koju sam spomenuo u članku " Indikator trenutne granice».
Gore navedeni sklopovi vrlo su prikladni za korištenje u domaćim izvorima napajanja za nadzor, telemetriju i mjerenje struje opterećenja, za izgradnju zaštitnih krugova od kratkih spojeva. Strujni senzor u tim krugovima može imati vrlo mali otpor i nema potrebe za podešavanjem ovog otpornika, kao što se radi u slučaju konvencionalnog ampermetra. Na primjer, napon na otporniku R3 u krugu na slici 5 je: Vo = R3 ∙ R1 ∙ IL / R2 t.j. Vo = 1000 ∙ 0,1 ∙ 1A / 100 = 1V. Jedan amper struje koja teče kroz senzor odgovara jednom voltu pada napona na otporniku R3. Vrijednost ovog omjera ovisi o vrijednosti svih otpornika uključenih u krug pretvarača. Iz toga slijedi da tako što ćete otpornik R2 učiniti trimerom, lako možete nadoknaditi širenje otpora otpornika R1. To vrijedi i za krugove prikazane na slikama 2 i 3. U krugu prikazanom na sl. 4, otpor otpornika opterećenja RL može se mijenjati. Da bi se smanjio pad izlaznog napona napajanja, otpor strujnog senzora - otpornika R1 u krugu na slici 5 općenito je bolje uzeti jednak 0,01 Ohm, dok se vrijednost otpornika R2 mijenja za 10 Ohm ili povećanjem vrijednosti otpornika R3 na 10 kOhm.
Mjerenje istosmjernih struja najčešće se obavlja magnetoelektričnim galvanometrima, mikroampermetrima, miliampermetrima i ampermetrima čiji je glavni dio magnetoelektrični mjerni mehanizam (metar). Uređaj jednog od uobičajenih dizajna brojčanika prikazan je na Sl. 1. Mjerač sadrži magnet u obliku potkove 1. U zračnom procjepu između njegovih polova 2 i nepokretne cilindrične jezgre 5 od mekog magnetskog materijala stvara se jednolično magnetsko polje čije su indukcijske linije okomite na površinu jezgre. U ovom razmaku postavlja se okvir 4, namotan tankom izoliranom bakrenom žicom (0,02 ... 0,2 mm u promjeru) na laganom papirnatom ili aluminijskom pravokutnom okviru. Okvir se može rotirati zajedno s osi 6 i strelicom 10 čiji se kraj pomiče iznad ljestvice. Ravne spiralne opruge 5 koriste se za stvaranje momenta koji sprječava rotaciju okvira, kao i za dovod struje u okvir. Između osovine i karoserije pričvršćena je jedna opruga. Druga je opruga jednim krajem pričvršćena na os, a drugim na polugu korektora 7, čija vilica pokriva ekscentrično vratilo vijka 8. Zakretanjem ovog vijka strelica se postavlja na podjelu nulte ljestvice. Protuutezi 9 služe za balansiranje pokretnog dijela mjerača kako bi se stabilizirao položaj strelice pri promjeni položaja instrumenta.
Riža. 1. Uređaj magnetoelektričnog mjernog mehanizma.
Izmjerena struja, prolazeći kroz zavoje okvira, stupa u interakciju s magnetskim poljem trajnog magneta. Okretni moment koji se stvara u ovom slučaju, čiji je smjer određen poznatim pravilom lijeve strane, uzrokuje rotaciju okvira za takav kut pod kojim je uravnotežen suprotnim momentom koji nastaje uvijanjem opruga 5. Zbog ujednačenosti konstantnog magnetskog polja u zračnom rasporu, momenta i, posljedično, kuta, odstupanja strelice su proporcionalna struji koja teče kroz okvir. Stoga magnetoelektrični uređaji imaju ujednačene skale. Ostale veličine koje utječu na vrijednost momenta, magnetsku indukciju u zračnom rasporu, broj zavoja i površinu okvira, ostaju konstantne i zajedno sa silom opruge određuju osjetljivost mjerača.
Kada se okvir okreće, u njegovu aluminijskom okviru induciraju se struje, čija interakcija s poljem trajnog magneta stvara kočni moment koji brzo smiruje pokretni dio mjerača (vrijeme taloženja ne prelazi 3 s).
Brojila karakteriziraju tri električna parametra: a) ukupna struja otklona Ii, koja uzrokuje otklon kazaljke do kraja ljestvice; b) napon ukupnog otklona Ui, odnosno napon na okviru brojila, koji stvara struju Ii u svom krugu; c) unutarnji otpor Ri, koji je otpor okvira. Ovi parametri su međusobno povezani Ohmovim zakonom:
U radio mjernim uređajima koriste se različite vrste magnetoelektričnih mjerača, čija ukupna struja otklona obično leži u rasponu od 10 ... 1000 μA. Mjerila u kojima ukupna struja otklona ne prelazi 50-100 μA smatraju se visoko osjetljivima.
Neki mjerači su opremljeni magnetskim šantom u obliku čelične ploče koja se može pomicati bliže ili dalje od krajnjih površina stupova i magneta. U tom slučaju ukupna struja otklona I će se sukladno tome smanjiti ili povećati u malim granicama, zbog promjene magnetskog toka koji djeluje na okvir zbog grananja dijela ukupnog magnetskog toka kroz šant.
Ukupni napon devijacije Ui za većinu brojila je u rasponu od 30-300 mV. Otpor okvira Ri ovisi o perimetru okvira, broju zavoja i promjeru žice. Što je mjerač osjetljiviji, njegov okvir ima više zavoja od tanje žice i veći je njegov otpor. Povećanje osjetljivosti mjerača postiže se i korištenjem snažnijih magneta, okvira bez okvira, opruga s malim suprotnim momentom i ovjesa pokretnog dijela na strijama (dvije tanke niti).
U osjetljivim mjeračima s okvirima bez okvira, strelica, skrećući pod djelovanjem struje koja prolazi kroz okvir, čini niz oscilacija prije nego što se zaustavi u ravnotežnom položaju. Kako bi se smanjilo vrijeme slijeganja strelice, okvir se ranžira otpornikom s otporom reda tisuća ili stotina ohma. Ulogu potonjeg ponekad obavlja električni krug uređaja, spojen paralelno s okvirom.
Mjerila s pomičnim okvirima omogućuju vam postizanje kuta punog otklona strelice do 90-100 °. Mjerači male veličine ponekad se izrađuju s fiksnim okvirom i pomičnim magnetom postavljenim na istoj osi sa strelicom. U tom slučaju moguće je povećati kut potpunog otklona strelice do 240 °.
Posebno osjetljiva mjerila koja se koriste za mjerenje vrlo niskih struja (manje od 0,01 μA) i napona (manje od 1 μV) nazivaju se galvanometri. Često se koriste kao nulti indikatori (indikatori odsutnosti struje ili napona u krugu) pri mjerenju metodama usporedbe. Prema načinu brojanja razlikuju se brojčani i zrcalni galvanometri; u potonjem se očitavanje rizika na ljestvici stvara uz pomoć svjetlosnog snopa i zrcala, pričvršćenog na pokretni dio uređaja.
Magnetoelektrični mjerači prikladni su samo za mjerenja istosmjerne struje. Promjena smjera struje u okviru dovodi do promjene smjera momenta i otklona strelice u suprotnom smjeru. Kada je mjerač spojen na krug izmjenične struje frekvencije do 5-7 Hz, strelica će kontinuirano oscilirati oko nule ljestvice s tom frekvencijom. Pri većoj frekvenciji struje mobilni sustav zbog svoje inercije nema vremena pratiti promjene struje i strelica ostaje u nultom položaju. Ako kroz mjerač teče pulsirajuća struja, tada je otklon strelice određen konstantnom komponentom te struje. Kako bi se isključio podrhtavanje strelice, mjerač se ranžira s velikim kondenzatorom.
Brojila dizajnirana za rad u istosmjernom krugu, čiji je smjer nepromijenjen, imaju jednostranu skalu, čiji je jedan od krajeva nulta podjela. Da bi se postigao ispravan otklon strelice, potrebno je da struja teče kroz okvir u smjeru od priključka označenog "+" do terminala označenog "-". Mjerači dizajnirani za rad u istosmjernim krugovima, čiji se smjer može mijenjati, opremljeni su dvostranom skalom, čija se nulta podjela obično nalazi u sredini; kada struja teče u uređaju od terminala "+" do terminala "-", strelica skreće udesno.
Magnetoelektrični mjerači mogu izdržati kratkotrajno preopterećenje, dostižući 10 puta struju Ii, i 3 puta dugotrajno preopterećenje. Neosjetljivi su na vanjska magnetska polja (zbog prisutnosti jakog unutarnjeg magnetskog polja), troše malo energije tijekom mjerenja i mogu se izvoditi u svim klasama točnosti.
Za mjerenja izmjenične struje koriste se magnetoelektrična brojila u kombinaciji s poluvodičkim, elektroničkim, fotoelektričnim ili toplinskim pretvaračima; zajedno tvore ispravljačke, elektroničke, fotoelektrične ili termoelektrične uređaje.
U mjernim instrumentima ponekad se koriste elektromagnetska, elektrodinamička i ferodinamička mjerila, koja su prikladna za izravno mjerenje istosmjernih struja i efektivnih vrijednosti izmjeničnih struja frekvencije do 2,5 kHz. Međutim, mjerači ovih vrsta znatno su inferiorniji od magnetoelektričnih mjerača u smislu osjetljivosti, točnosti i potrošnje energije u mjerenjima. Osim toga, imaju neujednačenu ljestvicu, komprimiranu u početnom dijelu, te su osjetljivi na djelovanje vanjskih magnetskih polja, za čije slabljenje se moraju koristiti magnetski štitovi i komplicirati dizajn uređaja.
Određivanje električnih parametara magnetoelektričnih brojila
Kada se kao mjerač magnetoelektričnog uređaja koristi mjerni mehanizam nepoznatog tipa, parametri potonjeg - ukupna otklonska struja Ii i unutarnji otpor Ri - moraju se empirijski odrediti.
Riža. 2. Krugovi za mjerenje električnih parametara magnetoelektričnih brojila
Otpor okvira Ri može se približno izmjeriti ohmmetrom koji ima potrebnu granicu mjerenja. Treba biti oprezan pri provjeravanju visokoosjetljivih mjerača, jer ih velika struja ohmmetra može oštetiti. Ako se koristi ohmmetar s više raspona na baterije, mjerenje treba započeti na najvišoj granici otpora na kojoj je struja u krugu napajanja ohmmetra najniža. Prijelaz na druge granice dopušten je samo ako to ne uzrokuje prekoračenje strelice mjerača.
Sasvim točno, parametri mjerača mogu se odrediti prema dijagramu na Sl. 2, a. Krug se napaja iz izvora konstantnog napona B preko otpornika R1, koji služi za ograničavanje struje u krugu. S reostatom R2 postiže se otklon igle mjerača I cijele ljestvice. U ovom slučaju, vrijednost struje Ii se mjeri prema referentnom (referentnom) mikroampermetru (miliampermetar) μA pozivne reference). Zatim se paralelno s mjeračem priključuje referentna otporna kutija Ro, čijom se promjenom otpora, struja kroz mjerač smanjuje za točno dva puta u odnosu na struju u zajedničkom krugu. To će se dogoditi kada je otpor Ro = Ri. Umjesto otporne kutije, možete koristiti bilo koji varijabilni otpornik, nakon čega izmjerite njegov otpor Ro = R i pomoću ohmmetra ili DC mosta. Također je moguće paralelno s mjeračem spojiti neregulirani otpornik s poznatim otporom R, po mogućnosti blizu očekivanog otpora Ri; tada se vrijednost potonjeg određuje formulom
Ri = (I / I1 - 1) * R,
gdje su I i I1 struje mjerene, respektivno, pomoću μA i I.
Ako mjerač And ima jednoliku skalu koja sadrži αp podjele, tada možete primijeniti krug prikazan na Sl. 2, b. Potrebni parametri mjerača izračunavaju se po formulama:
Ii = U / (R1 + R2) * αp / α1; Ri = (α2 * R2) / (α1-α2) - R1,
gdje je U napon napajanja mjeren voltmetrom V, α1 i α2 su očitanja na skali mjerača kada je prekidač B postavljen na položaje 1 i 2, a R1 i R2 su poznati otpori otpornika koji su uzeti približno istih denominacija. Pogreška mjerenja je manja što je očitanje α1 bliže kraju skale, što se postiže odgovarajućim izborom otpora
Magnetoelektrični miliampermetri i ampermetri
Magnetoelektrični mjerači, kada su izravno spojeni na električne krugove, mogu se koristiti samo kao DC mikroampermetri s granicom mjerenja koja je jednaka ukupnoj struji otklona Ii. Za proširenje granice mjerenja, mjerač And je uključen u strujni krug paralelno sa šantom - otpornik niskog otpora Rsh (slika 3); u tom slučaju kroz mjerač će teći samo dio izmjerene struje, a što je manji, to je manji otpor Rsh u usporedbi s otporom mjerača Ri. U elektroničkim mjerenjima, maksimalna potrebna granica mjerenja za istosmjerne struje rijetko prelazi 1000 mA (1 A).
Pri odabranoj graničnoj vrijednosti izmjerene struje Ip, struja ukupnog odstupanja Ii mora teći kroz mjerač; to će biti slučaj s otporom šanta
Rsh = Ri: (Ip / Ii - 1). (jedan)
Na primjer, ako je potrebno proširiti mjerni raspon mikroampermetra tipa M260, koji ima parametre Ip = 0,2 mA i Ri = 900 Ohm, na vrijednost Ip = 20 mA, potrebno je koristiti šant sa otpor Rsh = 900 / (100-1) = 9,09 Ohma.
Riža. 3. Kalibracijski dijagram magnetoelektričnog miliampermetra (ampermetra)
Šantovi na miliampermetre izrađuju se od manganinske ili konstantanske žice. Zbog visoke otpornosti materijala, dimenzije šantova su male, što im omogućuje da se spoje izravno između stezaljki uređaja unutar ili izvan njegovog kućišta. Ako je vrijednost struje Ip (u amperima) poznata, tada se promjer shunt žice d (u milimetrima) bira iz uvjeta
d> = 0,92 I p 0,5, (2)
pri izvođenju kojeg gustoća struje u šantu ne prelazi 1,5 A / mm 2. Na primjer, miliampermetarski šant s granicom mjerenja od Ip = 20 mA treba biti izrađen od žice promjera 0,13 mm.
Nakon što smo pokupili žicu odgovarajućeg promjera d (u milimetrima), njena duljina (u metrima) potrebna za izradu šanta s otporom Rsh (u omima) približno se nalazi po formuli
L = (1,5 ... 1,9) d 2 * Rsh (3)
i precizno se podešava kada se uređaj uključi prema dijagramu na sl. 3 u seriji s referentnim miliampermetrom mA.
Šantovi za velike struje (u ampermetre) obično se izrađuju od manganina u lima. Kako bi se isključio utjecaj kontaktnih otpora i otpora spojnih vodiča, takvi šantovi imaju četiri stezaljke (slika 4, a). Vanjske masivne stezaljke nazivaju se strujnim i služe za spajanje šanta u krug mjerene struje. Unutarnje stezaljke nazivaju se potencijalom i dizajnirane su za spajanje mjerača. Ovaj dizajn također isključuje mogućnost oštećenja mjerača velikom strujom ako se šant slučajno odspoji.
Kako bi se smanjila greška mjerenja temperature uzrokovana različitom temperaturnom ovisnošću otpora okvira brojila i šanta, manganinski otpornik Rk je spojen u seriju s mjeračem (slika 4, b); greška se smanjuje onoliko puta koliko se povećava otpor mjernog kruga. Još bolji rezultati postižu se kada se uključi termistor Rk s negativnim temperaturnim koeficijentom otpora. Prilikom izračunavanja uređaja s temperaturnom kompenzacijom, otpor R i u formulama za proračun treba shvatiti kao ukupni otpor mjerača i otpornika Rk.
Riža. 4. Sheme za uključivanje šanta za velike struje (a) i elementa temperaturne kompenzacije (b)
Uzimajući u obzir učinak šanta, unutarnji otpor miliampermetra (ampermetra)
Rma = RiRsh / (Ri + Rsh). (4)
Da bi se osigurala dovoljno visoka točnost u širokom rasponu mjerenih struja, uređaj mora imati nekoliko granica mjerenja; to se postiže korištenjem niza preklopnih šantova dizajniranih za različite vrijednosti granične struje Ip.
Faktor prijelaza skale N je omjer gornje granične vrijednosti dviju susjednih mjernih granica. Uz N = 10, kao npr. u četverograničnom miliampermetru s granicama od 1, 10, 100 i 1000 mA, skala instrumenta napravljena za jednu od granica (1 mA) može se lako primijeniti za mjerenje struja na preostale granice množenjem očitanja s odgovarajućim množiteljem su 10, 100 ili 1000. U tom slučaju mjerni raspon će doseći 90% raspona indikacije, što će dovesti do zamjetnog povećanja mjerne pogreške tih trenutnih vrijednosti koji odgovaraju očitanjima na početnim dijelovima ljestvice.
Riža. 5. Ljestvice višesmjernih magnetoelektričnih miliampermetara
Kako bi se povećala točnost mjerenja u nekim uređajima, granične vrijednosti izmjerenih struja biraju se iz niza brojeva 1, 5, 20, 100, 500 itd., koristeći zajedničku skalu s nekoliko redova brojčanih oznake za brojanje (slika 5, a). Ponekad se granične vrijednosti biraju iz niza brojeva 1, 3, 10, 30, 100, itd., što omogućuje isključenje brojanja duž prve trećine ljestvice; međutim, ljestvica bi trebala imati dva reda oznaka, graduiranih s višekratnicima od 3 odnosno 10 (slika 5, b).
Prebacivanje shuntova, potrebno za prebacivanje s jedne granice mjerenja na drugu, može se izvesti pomoću sklopke kada se koriste zajedničke ulazne stezaljke na svim granicama (slika 6) ili korištenjem sustava podijeljenih utičnica čije su polovice međusobno zatvorene metalnim čepom mjernog kabela (slika 7). Značajka sklopova na sl. 6, b i 7, b je da šant svake granice mjerenja uključuje otpornike shuntova drugih, manje osjetljivih granica.
Riža. 6. Sheme višesmjernih miliampermetara s prekidačima granica mjerenja.
Prilikom prebacivanja ispod struje granice mjerenja uređaja moguće je oštećenje brojila ako se kratko spoji bez šanta u krug mjerene struje. Kako bi se to izbjeglo, dizajn sklopki (slika 6) mora osigurati prijelaz s jednog kontakta na drugi bez prekida strujnog kruga. Sukladno tome, dizajn razdvojenih utičnica (slika 7) trebao bi omogućiti da se utikač mjernog kabela, kada je uključen, u početku zatvori s šantom, a zatim s krugom brojila.
Riža. 7. Sklopovi višesmjernih miliampermetara s utikačem i utičnicom preklapanja granica mjerenja.
Kako bi se mjerač zaštitio od opasnih preopterećenja, ponekad se paralelno s njim postavlja gumb Kn s kontaktom za otvaranje (slika 7, b); mjerač je uključen u krug samo kada se pritisne tipka. Učinkovit način zaštite osjetljivih mjerača je zaobići ih (u smjeru naprijed) posebno odabranim poluvodičkim diodama; u ovom slučaju, međutim, moguće je narušavanje ujednačenosti ljestvice.
U usporedbi s uređajima s preklopnim shuntovima, uređaji s više raspona s univerzalnim shuntovima pouzdaniji su u radu. Univerzalni šant je skupina serijski spojenih otpornika koji tvore zatvoreni krug s mjeračem (slika 8). Za spajanje na strujni krug koji se istražuje, koristi se zajednički negativni terminal i terminal spojen na jedan od odvodnih slavina. U tom slučaju nastaju dvije paralelne grane. Na primjer, kada je prekidač B postavljen na položaj 2 (slika 8, a), jedna grana sadrži otpornike aktivnog dijela šanta koji imaju otpor Rsh.d = Rsh2 + Rsh3, u drugoj grani je spojen otpornik Rsh1 serija s mjeračem. Otpor Rsh.d treba biti takav da pri maksimalnoj izmjerenoj struji Ip kroz mjerač teče struja ukupnog otklona Ii. Općenito
Rsh.d = (Rsh + Ri) (Ii / Ip). (5)
gdje je Rsh = Rsh1 + Rsh2 + Rsh3 + ... ukupni otpor šanta.
Univerzalni šant kao cjelina obavlja funkciju djelujućeg šanta na granici 1, što odgovara najmanjoj graničnoj vrijednosti izmjerene struje Ip1; njegov se otpor može izračunati po formuli (1). Ako su odabrane granice mjerenja Ip2 = = N12 * Ip1; Ip3 = N23 * Ip2; Ip4 = N34 * Ip3 itd., tada se otpori pojedinih dijelova šanta određuju izrazima:
Rsh2 + Rsh3 + Rsh4 + ... = Rsh / N12;
Rsh3 + Rsh4 + ... = Rsh / (N12 * N23);
Rsh4 + ... = Rsh / (N12 * N23 * N34), itd. Razlika otpora iz dvije susjedne jednakosti omogućuje vam da odredite otpore pojedinih komponenti šanta Rsh1, Rsh2, Rsh3 itd.
Riža. 8. Krugovi višesmjernih miliampermetara s univerzalnim šantovima
Iz navedenih izraza vidljivo je da su prijelazni faktori N12, N23, N34 itd. u cijelosti određeni omjerom otpora pojedinih dionica šanta i potpuno su neovisni o podacima brojila. Stoga će isti univerzalni šant, povezan paralelno s različitim mjeračima, mijenjati svoje granice za isti broj puta; u ovom slučaju, početna granica mjerenja određena je formulom
Ip1 = Ii * (Ri / Rsh + 1). (6)
Iz dijagrama na sl. Na slici 8 se može vidjeti da se u uređajima s univerzalnim shuntovima granice mjerenja mogu odabrati i pomoću prekidača i pomoću konvencionalnih utičnica. Gubitak kontakta u ovim krugovima siguran je za mjerač. Ako je približna vrijednost struje koju treba mjeriti nepoznata, prije spajanja višegraničnog uređaja na strujni krug treba postaviti najvišu gornju granicu mjerenja,
Kalibracija magnetoelektričnih miliampermetara i ampermetara
Kalibracija mjernog uređaja sastoji se u određivanju njegove kalibracijske karakteristike, odnosno odnosa između vrijednosti mjerene veličine i očitanja uređaja za očitavanje, izraženih u obliku tablice, grafikona ili formule. U praksi se gradacija brojčanika završava crtanjem na njegovoj skali podjela koje odgovaraju određenim brojčanim vrijednostima izmjerene vrijednosti.
Za magnetoelektrične uređaje s ujednačenim mjerilima, glavni zadatak kalibracije je uspostaviti korespondenciju konačne podjele ljestvice s graničnom vrijednošću izmjerene vrijednosti, što se može učiniti pomoću sklopa sličnog onom prikazanom na sl. 3. Uređaj koji se kalibrira spojen je na stezaljke 1 i 2. S reostatom R u krugu koji se napaja iz istosmjernog izvora, postavite graničnu vrijednost struje Ip prema referentnom uređaju mA i označite točku na skali do kojega odstupa pokazivač mjerača I. Ako uređaj koji se kalibrira ima jednu granicu, tada se za krajnju točku ljestvice može uzeti svaka točka blizu graničnika koja ograničava kretanje strelice. U višegraničnim uređajima s više ljestvica takav proizvoljan izbor kraja ljestvice može se napraviti samo na jednoj granici, koja se uzima kao početna.
Ako strelica na trenutnom Ip nije na konačnoj podjeli ljestvice, uređaj se mora podesiti. U instrumentima s jednim rasponom ili na izvornoj granici instrumenta s više raspona, ovo podešavanje se može izvršiti magnetskim šantom. U nedostatku potonjeg, podešavanje se provodi podešavanjem otpora šantova. Ako pri struji Ip strelica ne dosegne konačnu podjelu, tada treba povećati otpor šanta Rsh; kada strelica izađe izvan skale, otpor šanta se smanjuje.
Prilikom kalibracije uređaja s više raspona koji rade prema shemama prikazanim na Sl. 6, b, 7, b i 8, šantovi moraju biti postavljeni određenim redoslijedom, počevši od otpora šanta Rsh koji odgovara najvišoj graničnoj struji Ip3; tada se uzastopno podešavaju otpori šantova Rsh2 i Rsh1. Prilikom promjene granica može biti potrebno zamijeniti referentni uređaj čija gornja granica mjerenja u svim slučajevima mora biti jednaka ili malo viša od granične vrijednosti graduirane ljestvice.
Poznavajući položaje početnih i konačnih podjela ujednačene ljestvice, lako je odrediti položaje svih međupodjela. Međutim, treba imati na umu da neki magnetoelektrični uređaji, zbog nedostataka u dizajnu ili značajki mjernog kruga, možda nemaju točnu proporcionalnost između kutnog kretanja strelice i izmjerene struje. Stoga je preporučljivo provjeriti gradaciju ljestvice na nekoliko međutočaka promjenom struje reostatom R. Otpornik Ro služi za ograničavanje struje u krugu.
Kalibraciju treba izvesti s potpuno sastavljenim instrumentom u normalnim radnim uvjetima. Dobivene referentne točke nanose se na površinu ljestvice naoštrenom olovkom (sa staklom uklonjenim s kućišta mjerača) ili se fiksiraju prema oznakama postojeće ljestvice instrumenta. Ako je stara vaga mjerača neupotrebljiva, tada se izrađuje nova vaga od debelog, glatkog papira, koji se na mjesto stare ljestvice zalijepi ljepilom otpornim na vlagu. Položaj nove ljestvice mora striktno odgovarati položaju koji zauzima stara ljestvica prilikom kalibracije uređaja. Dobri rezultati postižu se iscrtavanjem mjerila crnom tintom u povećanom mjerilu, a zatim izradom fotokopije potrebne veličine.
Opći principi kalibracije o kojima je gore raspravljano primjenjivi su na mjerače brojčanika u različite svrhe.
Značajke mjerenja istosmjernih struja
Za mjerenje struje, uređaj (na primjer, miliampermetar) serijski je spojen na krug koji se istražuje; to dovodi do povećanja ukupnog otpora kruga i smanjenja struje koja teče u njemu. Stupanj ovog smanjenja procjenjuje se (u postocima) koeficijentom utjecaja miliampermetra
Bma = 100 * Rma / (Rma + Rts),
gdje je Rts ukupni otpor strujnog kruga između spojnih točaka uređaja (na primjer, stezaljke 1 i 2 na dijagramu na slici 3).
Množenjem brojnika i nazivnika desne strane formule s vrijednošću struje u krugu I i uzimajući u obzir da je I * Rma pad napona na miliampermetru Uma, a I (Rma + Rts) je jednak emf. E koji djeluje u istraživanom krugu, dobivamo
Bma = 100 * Uma / E.
U složenom (razgranatom) lancu pod e. itd. sa. E morate razumjeti napon otvorenog kruga između točaka prekida kruga na koji bi uređaj trebao biti spojen.
Granična vrijednost napona Uma je pad napona na uređaju Up, koji uzrokuje odstupanje njegove strelice do konačne oznake ljestvice. Stoga je najveća moguća vrijednost koeficijenta utjecaja pri korištenju ovog uređaja
Bp = 100Up / E. (7)
Iz gornjih formula proizlazi da je manji e. itd. sa. E, što instrument više utječe na izmjerenu struju. Na primjer, ako je Up / E = 0,1, tada je Bp = 10%, odnosno, uključivanje uređaja može uzrokovati smanjenje struje u krugu za 10%; pri Up / E = 0,01, smanjenje struje ne prelazi 1%. Stoga pri mjerenju struje žarne niti radio cijevi ili emiterske struje tranzistora treba očekivati znatno veću promjenu struje u strujnom krugu nego kod mjerenja anodnih, ekranskih ili kolektorskih struja. Također je očito da s istim mjernim rasponom uređaj koji karakterizira niža vrijednost napona Up ima manji učinak na izmjerenu struju. U višeslojnim miliampermetrima s preklopnim shuntovima (sl. 6 i 7), na svim mjernim rasponima, maksimalni pad napona na uređaju je isti i jednak naponu ukupnog odstupanja mjerača, odnosno Up = Ui = Ii / Ri, a snaga koju uređaj troši ograničena je vrijednošću
Pp = IiUi = Ip * Ii * Ri. U miliampermetrima s univerzalnim shuntovima (slika 8), pad napona na uređaju jednak je Ii * I i to samo na početnoj granici 1. Na ostalim granicama raste na vrijednost Up ≈ Ii * (Rp + Rsh) ( s povećanjem snage koju troši uređaj u (Ri + Rsh) / Ri puta), budući da je to zbroj padova napona na brojilu i šantu koji je povezan s njim u seriju. Posljedično, uređaj s univerzalnim šantom, pod svim ostalim jednakim uvjetima, ima jači učinak na način rada ispitivanih sklopova od uređaja s preklopnim šantom.
Ako uzmemo ukupni otpor univerzalnog šanta Rsh >> Ri, tada će donja granica miliampermetra biti blizu Ii, međutim, na drugim granicama, pad napona na uređaju može se pokazati pretjerano velikim. Ako uzmemo otpor Rsh malim, tada će se najmanja granična struja Ip1 uređaja povećati. Stoga je u svakom konkretnom slučaju potrebno riješiti pitanje dopuštene vrijednosti otpora šanta Rsh.
Kada se magnetoelektrični uređaj priključi na strujni krug pulsirajućeg ili impulsnog strujanja, za mjerenje konstantne komponente te struje potrebno je paralelno s uređajem spojiti veliki kondenzator koji ima otpor za promjenjivu komponentu struje koja je mnogo manji od unutarnjeg otpora uređaja Rma. Kako bi se eliminirao utjecaj kapacitivnosti uređaja u odnosu na kućište ispitivane instalacije, mjesto spajanja uređaja na visokofrekventne krugove odabire se tako da je jedna od njegovih stezaljki spojena izravno na kućište ili preko visokofrekventne -kapacitet kondenzatora.
U nekim slučajevima, trajni shuntovi su uključeni u različite krugove elektroničkog uređaja koji se proučava, što omogućuje korištenje istog magnetoelektričnog mjerača za naizmjenično praćenje struja u tim krugovima bez njihovog prekida.
Zadatak 1. Izračunajte miliampermetarski krug s univerzalnim šantom (slika 8) za tri mjerne granice: 0,2; 2 i 20 mA s prijelaznim faktorom N = 10. Mjerač uređaja - mikroampermetar tipa M94 - ima podatke: Ii = 150 μA = 0,15 mA, Ri = 850 Ohm, Ui = Ii / Ri = 0,128 V Za svaku granicu pronađite pad napona na uređaju pri graničnoj struji, kao i najveći mogući učinak uređaja na izmjerenu struju, ako e djeluje u strujnom krugu potonjeg. itd. sa. E = 20 V.
1. Na granici 1 (Ip1 = 0,2 mA), šant prema mjeraču je univerzalni šant u cjelini. Impedancija potonjeg, određena formulom (1), Rsh = 2550 Ohm.
Pad napona na uređaju pri graničnoj struji Up1 = Ui = 0,128 V. Maksimalni mogući koeficijent utjecaja miliampermetra Bp1 = (Up1 / E) * 100 = 0,64%.
2. Za granicu 2 (Ip2 = 2 mA) otpor ranžirnog dijela univerzalnog šanta Rsh2 + Rsh3 = Rsh / N = 255 Ohm. Dakle, otpor Rsh1 = Rsh - (Rsh2 + Rsh3) = 2295 Ohm.
Granični pad napona na uređaju je Up2 = Ii / (Ri + Rsh1) = 0,727 V. Granični koeficijent utjecaja Bp2 = 100 * Up2 / E = 3,63%.
3. Za granicu 3 (Ip3 = 20 mA) Rsh3 = Rsh / N 2 = 25,5 Ohm; Rsh2 = 255-25,5 = 229,5 Ohm; Up3 = Ip * (Ri + Rsh1 + Rsh2) = 0,761 V; Bn3 = 100 * p3 / E = 3,80%.
Zadatak 2. Izračunajte miliampermetarski krug s univerzalnim šantom za tri mjerne granice: 5, 50 i 500 mA. Mjerač uređaja - mikroampermetar tipa M260M - ima podatke: Ii = 500 μA, Ri = 150 Ohm. Odrediti učinak uređaja na izmjerenu struju ako se mjerenja unutar 5 i 50 mA vrše u krugovima u kojima je npr. itd. sa. ne manje od 200 V, a na granici od 500 mA - u krugu grijanja radio cijevi koje napaja baterija s elektromotornom silom. 6 B.
Odgovor: Rsh = 16,67 Ohm; Rsh1 = 15 Ohm; Rsh2 = 1,5 Ohm; Rsh3 = 0,17 Ohm; Up1 = 75 mV; Bnl = 0,037%; Up2 = 82,5 mV; Bn2 = 0,041%; Up3 = 83 mV; Bn3 = 1,4%.
Odgovor: 1) Rsh1 = 16,67 Ohm; Rsh2 = 1,52 0m; Rsh3 = 0,15 Ohm; 2) Rsh1 = 15,15 Ohm; Rsh2 = 1,37 Ohm; Rsh3 = 0,15 ohma.
DC tranzistorski mikroampermetri
Ako je potrebno izmjeriti vrlo male struje, mnogo manje od ukupne struje otklona I i raspoloživog magnetoelektričnog mjerača, potonji se koristi u kombinaciji s istosmjernim pojačalom. Najjednostavniji i najekonomičniji su bipolarna tranzistorska pojačala. Pojačanje struje može se postići uključivanjem tranzistora u zajedničkom emiteru i zajedničkom kolektorskom krugu, no prvo je poželjno jer osigurava nižu ulaznu impedanciju pojačala.
Riža. 9. Sklopovi jednotranzistorskih istosmjernih mikroampermetara
Najjednostavniji krug mikroampermetra s jednim tranzistorom koji se napaja iz izvora s emf. E = 1,5 ... 4,5 V, prikazano na sl. 9, a, punim linijama. Osnovna struja Ib je izmjerena struja, pri čijoj određenoj nazivnoj vrijednosti teče In u kolektorskom krugu struja Ik, jednaka ukupnoj struji otklona I i mjeraču I. Koeficijent prijenosa statičke struje Vst = Ic / Ib = Ii / In , odakle je nazivna izmjerena struja In = Ii / Bst. Na primjer, kada se koristi tranzistor tipa GT115A s Bst = 60 i mjerač tipa M261 sa strujom Ii = 500 μA, nazivna struja je In = 500/60 ≈ 8,3 μA. Budući da je odnos između struja Ik i Ib blizak linearnom, skala mjerača, kalibrirana u vrijednostima izmjerene struje, bit će gotovo ujednačena (osim malog početnog dijela skale do 10% svoje duljine ). Spajanjem posebno odabranog šanta između ulaznih stezaljki, možete povećati izmjerenu granicu struje na vrijednost prikladnu za izračune (na primjer, do 10 μA).
U stvarnim krugovima tranzistorskih mikroampermetara poduzimaju se mjere za stabilizaciju načina rada i ispravljanje njegovih mogućih odstupanja. Prije svega, neprihvatljivo je (osobito s povećanim naponom napajanja) da se osnovni krug tranzistora otvori, što se može dogoditi tijekom mjerenja. Stoga je baza spojena na emiter preko otpornika malog otpora, ili, kao što je prikazano isprekidanom linijom na Sl. 9, a, s negativnim polom izvora pomoću otpornika Rb s otporom reda stotine kilo-oma. U potonjem slučaju na bazu se primjenjuje prednapon, koji postavlja način rada pojačala. Zatim, kako bi se podesila potrebna nazivna struja (pretpostavimo 10 μA za gornji primjer), trimer otpornik Rsh = (2 ... 5) Ri spojen je paralelno s mjeračem (ili u seriji s njim).
Treba uzeti u obzir da će u nedostatku izmjerene struje početna kolektorska struja Ic.n teći kroz mjerač, dostići 5-20 μA i zbog prisutnosti nekontrolirane reverzne kolektorske struje Ic.o i struje u krugu baznog otpornika Rb. Djelovanje struje Ic.n može se kompenzirati postavljanjem pokazivača mjerača na nulu mehaničkim korektorom uređaja. Međutim, racionalnije je izvršiti podešavanje električne nule prije početka mjerenja, na primjer, pomoću elementa za pomoćno napajanje E0 i reostata R0 = (5 ... 10) Ri, stvarajući kompenzacijsku struju I0 u krugu brojila, jednake vrijednosti, ali suprotnog smjera od struje Ik. n. Umjesto dva izvora napajanja, može se koristiti jedno (slika 9, b) spajanjem paralelno s njim djelitelja napona dva otpornika R1 i R2 s otporima reda stotine oma. U tom slučaju nastaje premosni krug istosmjerne struje (vidi Metoda mosta za mjerenje električnih otpora), koji se uravnotežuje promjenom otpora jednog od krakova (R0).
Potreba za kompliciranjem izvornog kruga pojačala s jednim tranzistorom dovodi do činjenice da trenutni dobitak
Ki = Ui / In (8)
ispada manji od trenutnog koeficijenta prijenosa Bst korištenog tranzistora. Štoviše, pouzdan rad tranzistorskog mikroampermetra može se osigurati samo ako Ki<< Вст.
Kao što znate, parametri tranzistora značajno ovise o temperaturi okoline. Promjena potonjeg dovodi do spontanih oscilacija (drifta) reverzne kolektorske struje Ic.o, koja se u germanijevim tranzistorima povećava gotovo 2 puta za svakih 10 K porasta temperature. To uzrokuje zamjetnu promjenu u strujnom pojačanju Ki i ulaznoj impedanciji pojačala, što može dovesti do potpunog kršenja kalibracijskih karakteristika uređaja. Također treba uzeti u obzir i nepovratnu promjenu parametara ("starenje") tranzistora uočenu tijekom vremena, što stvara potrebu za periodičnim provjeravanjem i korekcijom kalibracijskih karakteristika tranzistorskog uređaja.
Ako se promjena struje Ic.o može donekle kompenzirati postavljanjem nule prije početka mjerenja, tada se moraju poduzeti posebne mjere za stabilizaciju pojačanja Ki. Dakle, prednapon na bazu (slika 9, b) napaja se pomoću djelitelja napona iz otpornika Rb1 i Rb2, a ponekad se kao potonji koristi termistor s negativnim temperaturnim koeficijentom otpora. Termistor se može zamijeniti diodom D spojenom paralelno s otpornikom Rb1. S povećanjem temperature, obrnuti otpor diode opada, što dovodi do takve preraspodjele napona između elektroda tranzistora, što sprječava povećanje kolektorske struje. Negativna povratna sprega između kolektora i baze djeluje u istom smjeru, što se pojavljuje zbog spajanja otpornika Rb2 na kolektor (a ne na minus napajanja). Najučinkovitiji učinak ima negativna povratna sprega koja se javlja kada je otpornik Re spojen na krug emitera.
Povećanje stabilnosti pojačala korištenjem dovoljno duboke negativne povratne sprege dovodi do malog omjera Ki/Bst koeficijenata. Stoga je za dobivanje pojačanja Ki, jednakog nekoliko desetina, potrebno odabrati germanijev tranzistor s visokim koeficijentom prijenosa struje za mikroampermetar: Vst = 120 ... 200.
U mikroampermetrima je moguće koristiti silikonske tranzistori, koji u usporedbi s germanijevim imaju parametre koji su vremenski stabilniji i u odnosu na temperaturne učinke. Međutim, Bst koeficijent silicijskih tranzistora obično je mali. Može se povećati korištenjem složenog tranzistorskog kruga (slika 9, c); potonji ima koeficijent prijenosa struje Vst približno jednak umnošku odgovarajućih koeficijenata njegovih sastavnih tranzistora, tj. Vst ≈ Vst1 * Vst2. Međutim, struja obrnutog kolektora kompozitnog tranzistora je:
Ik.o ≈ Ik.o2 + Bst2 * Ik.o1
značajno premašuje odgovarajuće struje njegovih komponenti i podložan je primjetnim temperaturnim fluktuacijama, što dovodi do potrebe za stabilizacijom načina rada pojačala.
Visoku stabilnost rada tranzistorskog mikroampermetra lakše je postići izvođenjem njegovog pojačala prema uravnoteženom krugu s dva konvencionalna ili kompozitna tranzistora posebno odabrana zbog istovjetnosti njihovih parametara (prije svega, prema približnoj jednakosti koeficijenata Bst i struje Ik.o). Tipični dijagram takvog uređaja s elementima za stabilizaciju i korekciju prikazan je na Sl. 10. Budući da početne kolektorske struje tranzistora približno u istoj mjeri ovise o temperaturi i naponu napajanja, te teku kroz mjerač u suprotnim smjerovima, međusobno se kompenziraju, stabilnost nulte pozicije strelice mjerača i ujednačenost njegovog povećanja. Duboka negativna povratna sprega koju pružaju otpornici Re i Rb.k povećava stabilnost strujnog pojačanja. Balansirani krug također povećava osjetljivost mikroampermetra, budući da izmjerena struja stvara potencijale različitih predznaka na ulaznim elektrodama oba tranzistora; Kao rezultat toga, unutarnji otpor jednog tranzistora se povećava, a drugog smanjuje, što povećava neravnotežu istosmjerne točke, u čijoj dijagonali je I.
Prilikom postavljanja balansiranog mikroampermetra s trimer potenciometrom Rk, potencijal kolektora se izjednačava, što se kontrolira odsutnošću očitanja brojila kada su ulazne stezaljke kratko spojene. Postavljanje nule tijekom rada vrši se potenciometrom Rb izjednačavanjem baznih struja s otvorenim ulaznim stezaljkama. Treba imati na umu da su ove dvije prilagodbe međusobno ovisne i pri otklanjanju pogrešaka uređaja moraju se ponoviti nekoliko puta uzastopno.
Riža. 10. Uravnoteženi krug tranzistorskog mikroampermetra
Ulazni otpor mikroampermetra Rmka uglavnom je određen ukupnim otporom R = Rb1 + Rb2 + R6, koji djeluje između baza tranzistora, i iznosi približno (0,8 ... 0,9) * R; njezino točno određivanje, kao i nazivne granične struje In, mora se provesti empirijski. Pogodno je podesiti potrebnu vrijednost nazivne struje pomoću šanta lanca otpornika čiji se otpor mora uzeti u obzir pri određivanju ulaznog otpora Rmka.
Stabilnost ulazne impedancije omogućuje proširenje granice mjerenja u smjeru snižavanja osjetljivosti pomoću shuntova. Otpor šanta potreban za dobivanje granične izmjerene struje Ip,
Rsh.p = Rmka * In / (Ip - In) = Rmka * Ii / (Ki * Ip - Ii) (9)
Uz numeričke podatke prikazane na dijagramu i korištenje tranzistora s Bst ≈ 150, balansirani mikroampermetar ima pojačanje Ki ≈ 34 i pomoću trim otpornika Rm može se podesiti na nazivnu struju In = 10 μA. Ako je potrebno dobiti nazivnu struju od oko 1 μA, pojačalo se nadopunjuje s drugim stupnjem, koji se često izvodi prema emiterskom sljedbenom krugu, što olakšava usklađivanje izlazne impedancije pojačala s niskim otporom I .
Želio bih vam predstaviti nadograđenu verziju za laboratorijsko napajanje. Dodana je mogućnost isključivanja opterećenja kada je određena unaprijed određena struja prekoračena. Firmware poboljšanog voltampermetra je moguć.
Digitalni krug mjerača struje i napona
Dijagramu je također dodano nekoliko detalja. Od kontrola - jedna tipka i varijabilni otpornik nominalne vrijednosti od 10 kilo-oma do 47 kilo-oma. Njegov otpor nije kritičan za krug i, kao što se može vidjeti, može varirati u prilično širokom rasponu. Izgled na ekranu također se neznatno promijenio. Dodan prikaz snage i amper * sati.
Varijabla struje okidanja pohranjena je u EEPROM. Stoga, nakon isključivanja, nećete morati sve ponovno konfigurirati. Kako biste ušli u izbornik trenutnih postavki, pritisnite gumb . Okretanjem gumba promjenjivog otpornika potrebno je podesiti struju pri kojoj će se relej isključiti. Povezuje se preko ključa na tranzistoru na izlaz PB5 mikrokontroler Atmega8.
U trenutku isključivanja, zaslon će pokazati da je prekoračena maksimalna zadana struja. Nakon pritiska na tipku vraćamo se na izbornik za podešavanje maksimalne struje. Morate ponovno pritisnuti tipku da biste se prebacili na način mjerenja. Do izlaza PB5 mikrokontroler će poslati zapisnik 1 i relej će se uključiti. Ovo trenutno praćenje također ima svoje nedostatke. Zaštita neće moći djelovati odmah. Može potrajati nekoliko desetaka milisekundi da se aktivira. Za većinu eksperimentalnih uređaja ovaj nedostatak nije kritičan. Ovo kašnjenje nije vidljivo ljudima. Sve se događa odjednom. Novi PCB nije razvijen. Svatko tko želi ponoviti uređaj može malo urediti tiskanu ploču iz prethodne verzije. Promjene neće biti značajne.
Predloženi uređaj je dizajniran za ugradnju u različite regulirane izvore napajanja. Na svojim LED indikatorima prikazuje izlazni napon jedinice i struju opterećenja. Kada je postalo potrebno stalno pratiti izlazni napon i struju opterećenja laboratorijskog napajanja, odmah je odlučeno prikazati njihove vrijednosti na LED indikatorima od sedam elemenata. Moguća alternativa su LCD-i sa znakovima s dva retka od 8 ili 16 znakova, ali su skupi i teški za čitanje. Drugi zahtjev bio je istovremeni prikaz vrijednosti napona i struje na indikatorima bez ikakvog prebacivanja. Iz raznih razloga, gotova rješenja pronađena u literaturi i na internetu autoru nisu odgovarala te je odlučio sam dizajnirati uređaj.
Izgled predloženog mjerača prikazan je na Sl. 1. Omogućuje vam mjerenje napona od 0 do 99,9 V s rezolucijom od 0,1 V i struje od 0 do 9,99 A s razlučivosti od 0,01 A. Uređaj je sastavljen na ploču 57x62 mm i može se ugraditi u gotovo svaki laboratorij jedinica za napajanje ili drugi uređaj gdje je potrebno stalno praćenje napona i struje. Krug mjerača prikazan je na sl. 2. Sadrži op-pojačalo, dva integrirana regulatora napona, mikrokontroler (najjeftiniji od onih s deseteroznamenkastim ADC-om), dva registra i dva LED indikatora sa sedam elemenata. Mogu biti četiri ili tri znamenke.
Izmjerena vrijednost napona prikazuje se na indikatoru HG1, a struja - na indikatoru HG2. Priključci istog imena indikatorskih elemenata kombinirani su u parovima i povezani preko otpornika za ograničavanje struje R13 — R20 na izlaze registra DD2. Zajednički izlazi indikatorskih bitova spojeni su na registar DD3. Registri su povezani serijski i tvore 16-bitni pomakni registar kojim upravljaju signali s tri izlaza mikrokontrolera DD1: GP2 (taktni impulsi), GP4 (učitani serijski kod), GP5 (izlazni impuls učitanog koda na paralelne izlaze registra ). Indikacija je uobičajena dinamička, u kojoj se indikatorska pražnjenja naizmjenično uključuju impulsima na izlazima registra DD3, generiranim istovremeno s pojavom kodova na izlazima registra DD2 za prikaz tražene znamenke u uključenoj znamenki.
Indikatori HG1 i HG2 mogu biti i sa zajedničkim anodama i sa zajedničkim katodama elemenata svakog pražnjenja, ali su oba nužno ista. Ovisno o tome, treba odabrati odgovarajuću verziju programa mikrokontrolera - AV-metar_ common_anocle.HEX za zajedničke anode ili AV-metar_common_cathode. HEX za uobičajene katode. Mikrokontroler kontrolira indikatore prekidima iz TMR0 timera koji slijede s periodom od 2 ms.
Ulazi GP0 i GP1 rade u načinu analognih ulaza ADC mikrokontrolera. GP0 se koristi za mjerenje napona, a GP1 se koristi za mjerenje struje. Izmjerene vrijednosti prikazane su u tri najznačajnije znamenke indikatora. U najmanje značajnoj znamenki indikatora HG1 stalno je prikazano slovo U (znak mjerenja napona), a u istoj znamenki indikatora HG2 slovo A (znak trenutnog mjerenja). U slučaju korištenja troznamenkastih indikatora nisu potrebne nikakve promjene programa, ali ova slova nedostaju.
Izmjereni napon se dovodi u mikrokontroler preko razdjelnika R2-R4, a napon proporcionalan izmjerenoj struji isporučuje se s izlaza op-pojačala DA1.1. Otpornik R12, zajedno s unutarnjom zaštitnom diodom mikrokontrolera, štiti njegov ulaz od mogućeg preopterećenja (op-pojačalo se napaja naponom od 7 ... 15 V). Pojačanje napona uzetog od senzora struje (otpornik R1) od oko 50 je postavljeno otpornicima R6, R8, R11. Njegova točna vrijednost postavljena je trimer otpornikom R8.
LPF R7C3 izglađuje mreškanje napona na neinvertirajućem ulazu op-pojačala. Bez ovog filtera očitanja uređaja "skaču". Sličnu funkciju obavlja kondenzator C2 u krugu za mjerenje napona. Zener dioda VD1 štiti ulaz op-pojačala od prenapona u slučaju loma otpornika R1. U ekstremnim slučajevima, zener dioda se može izostaviti.
Posebnu pozornost treba posvetiti lancu R5R10. U nedostatku izmjerene struje, stvara početni pomak od oko +0,25 mV na ulazu op-pojačala. Bez toga je uočena značajna nelinearnost pri mjerenju struje manje od 0,3 A. U različitim slučajevima mikrosklopova LM358N, ovaj se učinak očituje u različitim stupnjevima, ali u svakom slučaju, pogreška pri malim vrijednostima izmjerene struje je previše visoka. Kada su ugrađeni R5 i R10, vrijednosti prikazane na dijagramu (mogu se proporcionalno mijenjati uz zadržavanje istog omjera, na primjer, 15 Ohm i 300 kOhm), trenutna pogreška mjerenja zbog ovog učinka ne prelazi najmanju znamenku .
Uz sve LM358N mikro krugove koje imam, a kupljeni su na različitim mjestima u proteklih deset godina, nije bio potreban odabir ovih otpornika. Ali ako je potrebno, trebali biste odrediti minimalni otpor otpornika R10, na kojem nule i dalje svijetle na indikatoru HG1 u nedostatku izmjerene struje, a zatim ga povećati za 1,5 ... 2 puta. Kako bi se pojednostavio dizajn, ne preporučujem isključivanje elemenata C2, C3, R4, R5, R10 koji su obično odsutni u takvim uređajima.
Dobra točnost i stabilnost očitanja također je osigurana potpunim odvajanjem od mikrokontrolera relativno snažnih impulsnih upravljačkih jedinica za indikatore opskrbom ih iz zasebnog DA3 integriranog stabilizatora napona. Smetnje samog procesora mikrokontrolera malo utječu na rezultate mjerenja, budući da se svako od njih izvodi s preliminarnim prebacivanjem mikrokontrolera u stanje mirovanja s isključenim generatorom takta.
Mikrokontroler je taktiran internim generatorom. R9C5 - krug za resetiranje mikrokontrolera. Kako bi se otklonile posljedice mogućih kvarova mikrokontrolera, u njega je uključen watchdog timer (WDT).
Na sl. 3 prikazuje crtež vodiča tiskane ploče uređaja, a na sl. 4 - položaj dijelova na njemu. Većina otpornika i kondenzatora su 0805 SMD. Iznimke su otpornici R2 (zbog rasipanja snage), R13 (za pojednostavljenje ožičenja tiskanih vodiča), rezni otpornici R3, R8, oksidni kondenzatori C1, C6, C8. Kondenzatori C2 i C3 su keramički, ali se mogu zamijeniti oksidnim tantalovim.
- Vodič
Uvod
Pozdrav svima! Nakon završetka ciklusa na senzorima, pojavila su se pitanja drugačijeg plana za mjerenje parametara potrošnje kućanskih i ne baš električnih aparata. Tko koliko troši, kako što spojiti na mjerenje, koje su suptilnosti i tako dalje. Vrijeme je da otkrijemo sve karte u ovom području.U ovoj seriji članaka osvrnut ćemo se na temu mjerenja parametara električne energije. Postoji zapravo jako velik broj tih parametara o kojima ću vam pokušati postupno govoriti u malim serijama.
Za sada su u planu tri epizode:
- Mjerenje električne energije.
- Kvaliteta struje.
- Uređaji za mjerenje parametara električne energije.
Na temelju rezultata cijelog ciklusa izradit ćemo svojevrsno pametno električno brojilo s pristupom internetu. Prilično gorljivi ljubitelji upravljanja električnim uređajima svoje pametne kuće mogu pružiti svu moguću pomoć u implementaciji komunikacijskog dijela na bazi, primjerice, MajorDomoa. Učinimo OpenSource pametni dom boljim, da tako kažem.
U ovoj seriji ćemo pokriti sljedeća pitanja u dva dijela:
- Spajanje senzora struje i napona u istosmjernim uređajima, kao i jednofaznim i trofaznim AC krugovima;
- Mjerenje efektivnih vrijednosti struje i napona;
- Mjerenje faktora snage;
- Puna, aktivna i jalova snaga;
- Potrošnja električne energije;
1. Spajanje senzora
U prošlom ciklusu o senzorima napona i struje govorio sam o vrstama senzora, ali nisam govorio o tome kako ih koristiti i gdje ih staviti. Vrijeme je da se to popravi
Spajanje DC senzora
Jasno je da će cijeli ciklus biti posvećen izmjeničnim sustavima, ali brzo ćemo proći i preko istosmjernih krugova, jer nam to može biti od koristi pri razvoju istosmjernih izvora napajanja. Uzmimo za primjer klasični PWM pretvornik:
Slika 1. Buck pretvarač s PWM
Naš zadatak je osigurati stabilizirani izlazni napon. Osim toga, na temelju informacija sa strujnog senzora moguće je kontrolirati način rada prigušnice L1, sprječavajući njeno zasićenje, a također i implementirati strujnu zaštitu pretvarača. I da budem iskren, ne postoje posebne mogućnosti za ugradnju senzora.
Na izlazu pretvarača ugrađen je senzor napona u obliku otpornog razdjelnika R1-R2, koji jedini može raditi na istosmjernoj struji. U pravilu, specijalizirani mikrosklop pretvarača ima povratni ulaz i čini sve da se na tom ulazu (3) pojavi određena razina napona, propisana u dokumentaciji za mikrosklop. Na primjer 1,25 V. Ako naš izlazni napon odgovara ovoj razini - sve je u redu - izravno primjenjujemo izlazni napon na ovaj ulaz. Ako ne, onda postavite djelitelj. Ako trebamo osigurati izlazni napon od 5V, tada razdjelnik mora dati faktor podjele 4, to jest, na primjer R1 = 30k, R2 = 10k.
Senzor struje obično je instaliran između napajanja i pretvarača te na mikrosklop. Razlikom potencijala između točaka 1 i 2, a uz poznati otpor, otpornici Rs mogu odrediti trenutnu vrijednost struje naše prigušnice. Ugradnja strujnog senzora između izvora i opterećenja nije dobra ideja, budući da će filtarski kondenzator biti odsječen otpornikom od potrošača impulsne struje. Ugradnja otpornika u prekid zajedničke žice također je dobra - postojat će dvije razine uzemljenja s kojima je još uvijek zadovoljstvo petljati.
Problemi s padom napona mogu se izbjeći korištenjem beskontaktnih strujnih senzora kao što su Hallovi senzori:
Slika 2. Beskontaktni strujni senzor
Međutim, postoji lukaviji način mjerenja struje. Doista, napon na tranzistoru pada na potpuno isti način i kroz njega teče ista struja kao induktivitet. Stoga, padom napona na njemu možete odrediti i trenutnu vrijednost struje. Iskreno govoreći, ako pogledate unutarnju strukturu mikro krugova pretvarača, na primjer, Texas Instruments, tada se ova metoda pojavljuje jednako često kao i prethodne. Točnost ove metode zasigurno nije najveća, ali to je sasvim dovoljno da trenutni prekid radi.
Slika 3. Tranzistor kao senzor struje
Isto radimo i u drugim krugovima sličnih pretvarača, bilo da se radi o pojačanju ili invertiranju.
Međutim, potrebno je posebno spomenuti transformatore naprijed i povratni pretvarač.
Slika 4. Povezivanje strujnih senzora u povratnim pretvaračima
Također mogu koristiti ili vanjski otpor ili tranzistor u svojoj ulozi.
Time je dovršeno povezivanje senzora na DC/DC pretvarače. Ako imate prijedloge za druge opcije, rado ću njima dopuniti članak.
1.2 Spajanje senzora na jednofazne AC krugove
U krugovima izmjenične struje imamo puno veći izbor mogućih senzora. Razmotrimo nekoliko opcija.Najjednostavnije je koristiti otporni djelitelj napona i strujni šant.
Slika 5 Povezivanje senzora otpornika
Međutim, ona ima nekoliko značajnih nedostataka:
Prvo, ili ćemo dati značajnu amplitudu signala iz trenutnog šanta, nakon što smo mu dodijelili veliku količinu snage, ili ćemo se zadovoljiti malom amplitudom signala i naknadno je pojačati. I drugo, otpornik stvara potencijalnu razliku između neutralne mreže i neutralne točke uređaja. Ako je uređaj izoliran, nije važno, ako uređaj ima terminal za uzemljenje, tada riskiramo da ostanemo bez signala od trenutnog senzora, jer ćemo ga kratko spojiti. Možda je vrijedno isprobati senzore koji rade na drugim principima.
Na primjer, koristit ćemo strujne i naponske transformatore, odnosno Hallov strujni senzor i naponski transformator. Mnogo je više mogućnosti za rad s opremom, budući da neutralna žica nema gubitaka, a što je najvažnije, u oba slučaja postoji galvanska izolacija mjerne opreme, što često može dobro doći. Međutim, treba imati na umu da senzori struje i napona transformatora imaju ograničen frekvencijski odziv i ako želimo mjeriti harmonijski sastav izobličenja, onda to za nas nije činjenica.
Slika 6 Povezivanje transformatora i senzora blizine struje i napona
1.3 Spajanje senzora na polifazne krugove mreža izmjenične struje
U višefaznim mrežama, naša sposobnost povezivanja strujnih senzora je nešto manja. To je zbog činjenice da korištenje strujnog shunta uopće neće funkcionirati, budući da će razlika potencijala između faznih shuntova varirati unutar stotina volti i ne znam niti jedan regulator opće namjene čiji analogni ulazi mogu izdržati takvo ruglo.Jedan od načina korištenja strujnih šantova je naravno – za svaki kanal potrebno je napraviti galvanski izoliran analogni ulaz. Ali puno je lakše i pouzdanije koristiti druge senzore.
U svom analizatoru kvalitete koristim otporne djelitelje napona i vanjske senzore struje s Hallovim efektom.
Slika 7 Senzori struje u trofaznoj mreži
Kao što možete vidjeti na slici, koristimo četverožičnu vezu. Naravno, umjesto senzora struje s Hallovim efektom, možete uzeti strujne transformatore ili Rogowskijevske petlje.
Umjesto otpornih razdjelnika, naponski transformatori mogu se koristiti i za četverožične i trožične sustave.
U potonjem slučaju, primarni namoti naponskih transformatora spojeni su na trokut, a sekundarni na zvijezdu, čija je zajednička točka zajednička točka mjernog kruga.
Slika 8: Korištenje naponskih transformatora u trofaznoj mreži
2 RMS vrijednost struje i napona
Vrijeme je da riješimo problem mjerenja naših signala. Prije svega, efektivna vrijednost struje i napona za nas je od praktične važnosti.
Dopustite mi da vas podsjetim na materijale iz ciklusa senzora. Koristeći ADC našeg mikrokontrolera, u pravilnim intervalima bilježit ćemo trenutnu vrijednost napona. Tako ćemo za razdoblje mjerenja imati niz podataka o razini trenutne vrijednosti napona (za struju je sve isto).
Slika 9. Niz trenutnih vrijednosti napona
Naš zadatak je izračunati efektivnu vrijednost. Prvo, upotrijebimo integralnu formulu:
(1)U digitalnom sustavu morate se ograničiti na određeni kvant vremena, pa idemo na zbroj:
(2)Gdje je razdoblje uzorkovanja našeg signala, a broj uzoraka za razdoblje mjerenja. Negdje ovdje, u videu, počinjem trljati igru o jednakosti površina. Trebao sam spavati taj dan. =)
U mikrokontrolerima MSP430FE4252, koji se koriste u jednofaznim Mercury brojilima električne energije, napravljeno je 4096 očitanja za razdoblje mjerenja od 1, 2 ili 4 sekunde. U budućnosti ćemo se oslanjati na T = 1c i N = 4096. Štoviše, 4096 točaka u sekundi omogućit će nam korištenje brzih Fourierovih algoritama za određivanje harmonijskog spektra do 40. harmonika, kako zahtijeva GOST. Ali o tome više u sljedećoj seriji.
Nacrtajmo algoritam za naš program. Moramo osigurati stabilan start ADC-a svake 1/8192 sekunde, budući da imamo dva kanala i te ćemo podatke mjeriti naizmjenično. Da biste to učinili, postavite mjerač vremena i signal prekida automatski će ponovno pokrenuti ADC. Svi ADC-ovi to mogu.
Napisat ćemo budući program na arduinu, budući da ga mnogi imaju pri ruci. Zasad imamo isključivo akademski interes.
Posjedujući kvarcnu frekvenciju sustava od 16MHz i 8-bitni mjerač vremena (kako život ne bi izgledao kao med), moramo osigurati frekvenciju rada barem svakog prekida timera s frekvencijom od 8192Hz.
Žalosni smo zbog činjenice da 16MHz nije podijeljeno u cjelini kako nam je potrebno, a konačna frekvencija timera je 8198Hz. Zatvorimo oči na pogrešku od 0,04% i još uvijek čitamo 4096 uzoraka po kanalu.
Žalosni smo zbog činjenice da je prekid preljeva u arduinu zauzet tajming (odgovoran za milise i kašnjenje, pa će ovo prestati raditi normalno), pa koristimo prekid usporedbe.
I odjednom shvaćamo da je signal bipolaran i da se msp430fe4252 savršeno nosi s njim. Zadovoljni smo unipolarnim ADC-om, pa sastavljamo jednostavan bipolarni-unipolarni pretvarač na operacijskom pojačalu:
Slika 10 Bipolarni u unipolarni pretvarač
Štoviše, naš zadatak je osigurati oscilaciju naše sinusoide u odnosu na polovicu referentnog napona - tada ili oduzimamo polovicu raspona ili aktiviramo opciju u postavkama ADC-a i dobivamo predznačene vrijednosti.
Arduino ima 10-bitni ADC, tako da od neoznačenog rezultata oduzimamo polovicu u rasponu od 0-1023 i dobivamo -512-511.
Provjeravamo model sastavljen u LTSpiceIV i uvjeravamo se da sve radi kako treba. U videu se dodatno eksperimentalno uvjeravamo.
Slika 11 rezultat simulacije. Zelena je izvorni signal, plava je izlaz
Arduino skica za jedan kanal
void setup () (autoadcsetup (); DDRD | = (1<
Program je napisan u Arduino IDE za mikrokontroler ATmega1280. Na mojoj ploči za otklanjanje pogrešaka, prvih 8 kanala je usmjereno za interne potrebe ploče, tako da se koristi ADC8 kanal. Moguće je koristiti ovu skicu za ploču s ATmega168, međutim, morate odabrati ispravan kanal.
Unutar prekida žongliramo s nekoliko servisnih pinova kako bismo jasno vidjeli radnu frekvenciju digitalizacije.
Nekoliko riječi o tome odakle faktor 102. Prilikom prvog pokretanja iz generatora je dostavljen signal različitih amplituda, stvarna vrijednost napona očitana je s osciloskopa, a izračunata vrijednost u apsolutnim ADC jedinicama preuzeta je s konzole .
| Umax, V | Urms, B | Prebrojano |
| 3 | 2,08 | 212 |
| 2,5 | 1,73 | 176 |
| 2 | 1,38 | 141 |
| 1,5 | 1,03 | 106 |
| 1 | 0,684 | 71 |
| 0,5 | 0,358 | 36 |
| 0,25 | 0,179 | 19 |
Podijelimo li vrijednosti trećeg stupca s vrijednostima drugog, dobivamo prosjek od 102. Ovo će biti naš faktor "kalibracije". Međutim, možete vidjeti da točnost naglo pada sa smanjenjem napona. To je zbog niske osjetljivosti našeg ADC-a. Zapravo, 10 znamenki za točne izračune je katastrofalno malo i ako se napon u utičnici izmjeri na ovaj način to će uspjeti, onda će stavljanje 10-bitnog ADC-a za mjerenje struje koju troši opterećenje biti zločin protiv mjeriteljstva.
Prekinut ćemo u ovom trenutku. U sljedećem dijelu razmotrit ćemo ostala tri pitanja iz ove serije i glatko ćemo prijeći na izradu samog uređaja.
Predstavljeni firmware, kao i ostali firmware za ovu seriju (budući da brže snimam videe nego pripremam članke), možete pronaći u repozitoriju na GitHubu.
