Основной единицей измерения электрического напряжения является вольт. В зависимости от величины напряжение может измеряться в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 1000 В), милливольтах (1 мВ = 0,001 В), микровольтах (1 мкВ = 0,001мВ = 0,000001 В). На практике, чаще всего, приходится сталкиваться с вольтами и милливольтами.
Существует два основных вида напряжений – постоянное и переменное . Источником постоянного напряжения служат батареи, аккумуляторы. Источником переменного напряжения может служить, например, напряжение в электрической сети квартиры или дома.
Для измерения напряжения используют вольтметр . Вольтметры бывают стрелочные (аналоговые) и цифровые .
На сегодняшний день стрелочные вольтметры уступают пальму первенства цифровым, так как вторые более удобны в эксплуатации. Если при измерении стрелочным вольтметром показания напряжения приходится вычислять по шкале, то у цифрового результат измерения сразу высвечивается на индикаторе. Да и по габаритам стрелочный прибор проигрывает цифровому.
Но это не значит, что стрелочные приборы совсем не применяются. Есть некоторые процессы, которые цифровым прибором увидеть нельзя, поэтому стрелочные больше применяются на промышленных предприятиях, лабораториях, ремонтных мастерских и т.п.
На электрических принципиальных схемах вольтметр обозначается кружком с заглавной латинской буквой «V » внутри. Рядом с условным обозначением вольтметра указывается его буквенное обозначение «PU » и порядковый номер в схеме. Например. Если вольтметров в схеме будет два, то около первого пишут «PU 1 », а около второго «PU 2 ».
При измерении постоянного напряжения на схеме указывается полярность подключения вольтметра, если же измеряется переменное напряжение, то полярность подключения не указывается.
Напряжение измеряют между двумя точками схемы: в электронных схемах между плюсовым и минусовым полюсами, в электрических схемах между фазой и нулем . Вольтметр подключают параллельно источнику напряжения или параллельно участку цепи — резистору, лампе или другой нагрузке, на которой необходимо измерить напряжение:
Рассмотрим подключение вольтметра: на верхней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и одновременно на источнике питания GB1 . На нижней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и резисторе R1 .
Перед тем, как измерить напряжение, определяют его вид и приблизительную величину . Дело в том, что у вольтметров измерительная часть рассчитана только для одного вида напряжения, и от этого результаты измерений получаются разными. Вольтметр для измерения постоянного напряжения не видит переменное, а вольтметр для переменного напряжения наоборот, постоянное напряжение измерить сможет, но его показания будут не точными.
Знать приблизительную величину измеряемого напряжения также необходимо, так как вольтметры работают в строго определенном диапазоне напряжений, и если ошибиться с выбором диапазона или величиной, прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения вольтметра составляет 0…100 Вольт, значит, напряжение можно измерять только в этих пределах, так как при измерении напряжения выше 100 Вольт прибор выйдет из строя.
Помимо приборов, измеряющих только один параметр (напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота), существуют многофункциональные, в которых заложено измерение всех этих параметров в одном приборе. Такой прибор называется тестер (в основном это стрелочные измерительные приборы) или цифровой мультиметр .
На тестере останавливаться не будем, это тема другой статьи, а сразу перейдем к цифровому мультиметру. В основной своей массе мультиметры могут измерять два вида напряжения в пределах 0…1000 Вольт. Для удобства измерения оба напряжения разделены на два сектора, а в секторах на поддиапазоны: у постоянного напряжения поддиапазонов пять, у переменного — два.
У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением: 200m , 2V , 20V , 200V , 600V . Например. На пределе «200V» измеряется напряжение, находящееся в диапазоне 0…200 Вольт.
Теперь сам процесс измерения .
1. Измерение постоянного напряжения.
Вначале определяемся с видом измеряемого напряжения (постоянное или переменное) и переводим переключатель в нужный сектор. Для примера возьмем пальчиковую батарейку, постоянное напряжение которой составляет 1,5 Вольта. Выбираем сектор постоянного напряжения, а в нем предел измерения «2V», диапазон измерения которого составляет 0…2 Вольта.
Измерительные щупы должны быть вставлены в гнезда, как показано на нижнем рисунке:
красный
щуп принято называть плюсовым
, и вставляется он в гнездо, напротив которого изображены значки измеряемых параметров: «VΩmA»;
черный
щуп называют минусовым
или общим
и вставляется он в гнездо, напротив которого стоит значок «СОМ». Относительно этого щупа производятся все измерения.
Плюсовым щупом касаемся положительного полюса батарейки, а минусовым — отрицательного. Результат измерения 1,59 Вольта сразу виден на индикаторе мультиметра. Как видите, все очень просто.
Теперь еще нюанс. Если на батарейке щупы поменять местами, то перед единицей появится знак минуса, сигнализирующий, что перепутана полярность подключения мультиметра. Знак минуса бывает очень удобен в процессе наладке электронных схем, когда на плате нужно определить плюсовую или минусовую шины.
Ну а теперь рассмотрим вариант, когда величина напряжения неизвестна. В качестве источника напряжения оставим пальчиковую батарейку.
Допустим, мы не знаем напряжение батарейки, и чтобы не сжечь прибор измерение начинаем с самого максимального предела «600V», что соответствует диапазону измерения 0…600 Вольт. Щупами мультиметра касаемся полюсов батарейки и на индикаторе видим результат измерения, равный «001 ». Эти цифры говорят о том, что напряжения нет или его величина слишком мала, или выбран слишком большой диапазон измерения.
Опускаемся ниже. Переключатель переводим в положение «200V», что соответствует диапазону 0…200 Вольт, и щупами касаемся полюсов батарейки. На индикаторе появились показания равные «01,5 ». В принципе этих показаний уже достаточно, чтобы сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,5 Вольта.
Однако нолик, стоящий впереди, предлагает снизиться еще на предел ниже и точнее измерить напряжение. Снижаемся на предел «20V», что соответствует диапазону 0…20 Вольт, и снова производим измерение. На индикаторе высветились показания «1,58 ». Теперь можно с точностью сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,58 Вольта.
Вот таким образом, не зная величину напряжения, находят ее, постепенно снижаясь от высокого предела измерения к низкому.
Также бывают ситуации, когда при измерении в левом углу индикатора высвечивается единица «1 ». Единица сигнализирует о том, что измеряемое напряжение или ток выше выбранного предела измерения. Например. Если на пределе «2V» измерить напряжение равное 3 Вольта, то на индикаторе появится единица, так как диапазон измерения этого предела всего 0…2 Вольта.
Остался еще один предел «200m» с диапазоном измерения 0…200 mV. Этот предел предназначен для измерения совсем маленьких напряжений (милливольт), с которыми иногда приходится сталкиваться при наладке какой-нибудь радиолюбительской конструкции.
2. Измерение переменного напряжения.
Процесс измерения переменного напряжения ни чем не отличается от измерения постоянного. Отличие состоит лишь в том, что для переменного напряжения соблюдать полярность щупов не требуется.
Сектор переменного напряжения разбит на два поддиапазона 200V
и 600V
.
На пределе «200V» можно измерять, например, выходное напряжение вторичных обмоток понижающих трансформаторов, либо любое другое находящееся в диапазоне 0…200 Вольт. На пределе «600V» можно измерять напряжения 220 В, 380 В, 440 В или любое другое находящееся в диапазоне 0…600 Вольт.
В качестве примера измерим напряжение домашней сети 220 Вольт.
Переводим переключатель в положение «600V» и щупы мультиметра вставляем в розетку. На индикаторе сразу появился результат измерения 229 Вольт. Как видите, все очень просто.
И еще один момент.
Перед измерением высоких напряжений ВСЕГДА лишний раз убеждайтесь в исправности изоляции щупов и проводов вольтметра или мультиметра
, а также дополнительно проверяйте выбранный предел измерения
. И только после всех этих операций производите измерения
. Этим Вы убережете себя и прибор от неожиданных сюрпризов.
А если что осталось не понятно, то посмотрите видеоролик, где показано измерение напряжения и силы тока с помощью мультиметра.
- Tutorial
Введение
Всем привет! После завершения цикла по датчикам были вопросы различного плана по измерению параметров потребления бытовых и не очень электроприборов. Кто сколько потребляет, как что подключать чтобы измерить, какие бывают тонкости и так далее. Пришло время раскрыть все карты в этой области.В этом цикле статей мы рассмотрим тему измерения параметров электроэнергии. Этих параметров на самом деле очень даже большое количество, о которых я постараюсь постепенно рассказать небольшими сериями.
Пока в планах три серии:
- Измерение электроэнергии.
- Качество электроэнергии.
- Устройства измерения параметров электроэнергии.
По итогам всего цикла мы изготовим некий умный электросчетчик с выходом в интернет. Совсем отъявленные любители контролировать электроприборы своего умного дома могут оказать посильную помощь в реализации коммуникационной части на базе, например MajorDomo. Сделаем OpenSource умный дом лучше, так сказать.
В этой серии в двух частях мы разберем следующие вопросы:
- Подключение датчиков тока и напряжения в устройствах постоянного тока, а также однофазных и трехфазных цепей переменного тока;
- Измерение действующих значений тока и напряжения;
- Измерение коэффициента мощности;
- Полная, активная и реактивная мощность;
- Потребление электроэнергии;
1. Подключение датчиков
В прошлом цикле про датчики напряжения и тока я рассказал о видах датчиков, но не рассказал о том как ими пользоваться и куда их ставить. Пришло время это исправить
Подключение датчиков постоянного тока
Понятно что весь цикл будет посвящён системам переменного тока, но быстро пробежимся и по цепям постоянного тока, так как это может нам пригодиться при разработке источников питания постоянного тока. Возьмем к примеру классический понижающий преобразователь с ШИМ :
Рис 1. Понижающий преобразователь с ШИМ
Нашей задачей является обеспечение стабилизированного выходного напряжения. Кроме того, на основании информации с датчика тока возможно контролировать режим работы дросселя L1, не допуская его насыщения, а также реализовывать токовую защиту преобразователя. И честно говоря, вариантов установки датчиков особо и нет.
Датчик напряжения в виде резистивного делителя R1-R2, который единственный способен работать на постоянном токе, устанавливается на выходе преобразователя. Как правило специализированная микросхема преобразователя имеет вход обратной связи, и прилагает все усилия для того, чтобы на этом входе (3) оказался определённый уровень напряжения, прописанный в документации на микросхему. Например 1,25В. Если наше выходное напряжение с этим уровнем совпадает - все хорошо - мы напрямую подаем выходное напряжение на этот вход. Если нет, то устанавливаем делитель. Если нам надо обеспечить выходное напряжение в 5В, то делитель должен обеспечивать коэффициент деления 4, т. е. Например R1 = 30к, R2 = 10к.
Датчик тока обычно устанавливается между источником питания и преобразователем и на микросхему. По разности потенциалов между точками 1 и 2, и при известном сопротивлении резисторы Rs возможно определить текущее значение тока нашего дросселя. Устанавливать датчик тока между источников и нагрузкой не самая хорошая идея, так как конденсатор фильтра будет отрезан резистором от потребителей импульсных токов. Установка резистора в разрыв общего провода тоже нге сулит ничего хорошего - будет два земляных уровня с которыми возиться то еще удовольствие.
Проблемы падения напряжения можно избежать путем использования бесконтактных датчиков тока - например датчиков холла:
Рис 2. Бесконтактный датчик тока
Однако есть более хитрый способ измерения тока. Ведь на транзисторе точно также падает напряжение и через него течет тот же самый ток что и индуктивность. Следовательно, по падению напряжения на нем можно также определить текущее значение тока. Честно говоря, если посмотреть на внутреннюю структуру микросхем преобразователей, например, от Texas Instruments - то такой способ встречается так же часто как и предыдущие. Точность такого способа конечно не самая высокая, но для работы токовой отсечки этого вполне достаточно.
Рис 3. Транзистор в качестве датчика тока
Аналогично поступаем в других схемах подобных преобразователей, будь то повышающий или инвертирующий.
Однако необходимо отдельно упомянуть о трансформаторных прямоходовом и обратноходовом преобразователях.
Рис 4. Подключение датчиков тока в обратноходовых преобразователях
В них точно также может использоваться либо внешнее сопротивление, либо транзистор в его роли.
На этом с подключением датчиков в преобразователи постоянного тока мы закончили. Если у вас есть предложения по другим вариантам - с удовольствием дополню ими статью.
1.2 Подключение датчиков в однофазные цепи переменного тока
В цепях переменного тока у нас гораздо больший выбор возможных датчиков. Рассмотрим несколько вариантов.Самый простой - использование резистивного делителя напряжения и токового шунта.
Рис 5.Подключение резисторных датчиков
Однако, у нее усть пара существенных недостатков:
Во-первых, либо мы обеспечим значительную амплитуду сигнала с токового шунта, выделив большое количество мощности на нем, либо будем довольствоваться малой амплитудой сигнала и впоследствии усиливать его. А во-вторых, резистор создает разность потенциалов между нейтралью сети и нейтралью прибора. Если прибор изолирован - то это не имеет значения, если же у прибора есть вывод заземления, то мы рискуем остаться без сигнала с датчика тока, так как закоротим его. Пожалуй стоит попробовать датчики, работающие на других принципах.
Например, воспользуемся трансформаторами тока и напряжения, либо датчиком тока на эффекте холла и трансформатором напряжения. Здесь гораздо больше возможностей по работе с оборудованием, так как нулевой провод не имеет потерь, а главное - в обоих случаях присутствует гальваническая развязка измерительного оборудования, что часто может пригодиться. Однако, необходимо учитывать, что трансформаторные датчики тока и напряжения имеют ограниченную частотную характеристику и если мы захотим измерить гармонический состав искажений, то у нас это не факт что выйдет.
Рис 6.Подключение трансформаторных и бесконтактных датчиков тока и напряжения
1.3 Подключение датчиков в многофазные цепи сетей переменного тока
В многофазных сетях наши возможности по подключению датчиков тока немного меньше. Связано это с тем, что токовый шунт использовать совсем не получится, так как разность потенциалов между шунтами фаз будет колебаться в пределах сотен вольт и мне не известен ни один контроллер общего применения, аналоговые входы которого способны выдержать такое издевательство.Один способ использовать токовые шунты конечно есть - для каждого канала необходимо сделать гальванически развязанный аналоговый вход. Но гораздо проще и надежнее использовать другие датчики.
В своем анализаторе качества я использую резистивные делители напряжения и выносные датчики тока на эффекте холла.
Рис 7.Датчики тока в трехфазной сети
Как видно из рисунка, мы используем четырехпроводное подключение. Разумеется вместо датчиков тока на эффекте холла можно взять трансформаторы тока или петли Роговского.
Вместо резистивных делителей можно использовать трансформаторы напряжения, причем как для четырехпроводной так и для трехпроводной системы.
В последнем случае первичные обмотки трансформаторов напряжения подключаются треугольником, а вторичные звездой, общая точка которых является общей точкой измерительной цепи
Рис 8.Использование трансформаторов напряжения в трехфазной сети
2 Действующее значение тока и напряжения
Пришло время решить задачу измерения наших сигналов. Практическую значимость для нас представляет в первую очередь действующее значение тока и напряжения.
Напомню матчасть из цикла по датчикам. С помощью АЦП нашего микроконтроллера через равные промежутки времени мы будем фиксировать мгновенное значение напряжения. Таким образом, за период измерения у нас будет массив данных уровня мгновенного значения напряжения (для тока все аналогично).
Рис 9. Серия мгновенных значений напряжения
Наша задача - произвести подсчет действующего значения. Для начала воспользуемся формулой интеграла:
(1)В цифровой системе приходится ограничиваться неким квантом времени, так что мы переходим к сумме:
(2)Где - период дискретизации нашего сигнала, а - число отсчетов за период измерения. Где-то здесь я в видео начинаю втирать дичь про равенство площадей. Надо было выспаться в тот день. =)
В микроконтроллерах MSP430FE4252, которые применяются в однофазных электросчетчиках Меркурий, за период измерения равный 1, 2 или 4 секунд производится 4096 отсчетов. На T=1с и N=4096 мы и будем опираться в дальшейнем. Более того, 4096 точек в секунду позволят нам использовать алгоритмы быстрого преобразования фурье для определения гармонического спектра вплоть до 40 гармоники, как того требует ГОСТ. Но об этом в следующей серии.
Набросаем алгоритм для нашей программы. Нам требуется обеспечить стабильный запуск АЦП каждую 1/8192 секунды, так как у нас два канал и измерять мы будем эти данные попеременно. Для этого настроим таймер и сигнал прерывания будет автоматически перезапускать АЦП. Все АЦП так умеют.
Писать будущую программу будем на arduino, так как она у многих под рукой. У нас пока чисто академический интерес.
Имея частоту системного кварца 16МГц и 8-разрядный таймер (чтобы жизнь медом не казалась) нам необходимо обеспечить частоту срабатывания хоть какого прерывания таймера с частотой 8192Гц.
Печалимся по поводу того что 16МГц цело не делится как нам надо и итоговая частота работы таймера 8198Гц. Закрываем глаза на погрешность в 0,04% и все равно считываем по 4096 выборок на канал.
Печалимся по поводу того, что прерывание по переполнению в arduino занято расчетом времени (отвечает за millis и delay, так что это работать нормально перестанет), так что пользуемся прерыванием по сравнению.
А еще внезапно понимаем, что сигнал к нам приходит биполярный, и что msp430fe4252 с ним прекрасно справляется. Мы же довольствуемся униполярным АЦП, поэтому на операционном усилителе собираем простой преобразователь биполярного сигнала в униполярный:
Рис 10.Преобразователь биполярного сигнала в униполярный
Причем наша задача обеспечить колебание нашей синусоиды относительно половины опорного напряжения - тогда мы либо отнимем половину диапазона либо активируем опцию в настройках АЦП и получим знаковые значения.
В Arduino 10-разрядный АЦП, поэтому из беззнакового результата в пределах 0-1023 будем вычитать половину и получим -512- 511.
Проверяем модель, собранную в LTSpiceIV и убеждаемся, что все работает как надо. В видеоматериале дополнительно убеждаемся экспериментально.
Рис 11.результат моделирования. Зеленым исходный сигнал, синим - выходной
Скетч для Arduino для одного канала
void setup() { autoadcsetup(); DDRD |=(1<
Программа написана в среде Arduino IDE для микроконтроллера ATmega1280. На моей отладочной плате первые 8 каналов разведены для внутренних нужд платы поэтому используется канал ADC8. Возможно использовать данный скетч и для платы с ATmega168, однако необходимо выбрать правильный канал.
Внутри прерываний передергиваем пару служебных пинов чтобы наглядно видеть рабочую частоту оцифровки.
Пару слов о том, откуда взялся коэффициент 102. При первом запуске с генератора подавался сигнал различной амплитуды, с осциллографа считывалось показание действующего значения напряжения, а из консоли забиралось рассчитанное значение в абсолютных единицах АЦП.
| Umax, В | Urms, В | Counted |
| 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 |
Разделив значения третьего столбца на значения второго получаем в среднем 102. Это и будет наш «калибровочный» коэффициент. Однако можно заметить, что при снижении напряжения точность резко падает. Это происходит из-за низкой чувствительности нашего АЦП. Фактически 10 разрядов для точных расчётов катастрофически мало и если напряжение в розетке измерить таким образом вполне получится, то поставить 10-разрядный АЦП на измерение потребляемого нагрузкой тока будет преступлением против метрологии.
На данном моменте мы прервемся. В следующей части рассмотрим другие три вопроса данной серии и будем плавно переходить к созданию непосредственно самого устройства.
Представленную прошивку, а также другие прошивки для данной серии (так как видеоматериалы я снимаю быстрее чем подготавливаю статьи) вы найдете в репозитории на GitHub.
Измерение постоянных токов чаще всего производится магнитоэлектрическими гальванометрами, микроамперметрами, миллиамперметрами и амперметрами, основной частью которых является магнитоэлектрический измерительный механизм (измеритель). Устройство одной из распространённых конструкций стрелочного измерителя показано на рис. 1. Измеритель содержит подковообразный магнит 1. В воздушном зазоре между его полюсными наконечниками 2 и неподвижным цилиндрическим сердечником 5, выполненными из магнитномягкого материала, создаётся равномерное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны к поверхности сердечника. В этом зазоре помещается рамка 4, намотанная тонким медным изолированным проводом (диаметром 0,02...0,2 мм) на лёгком бумажном или алюминиевом каркасе прямоугольной формы. Рамка может поворачиваться вместе с осью 6 и стрелкой 10, конец которой перемещается над шкалой. Плоские спиральные пружины 5 служат для создания момента, противодействующего повороту рамки, а также для подвода тока к рамке. Одна пружина закреплена между осью и корпусом. Вторая пружина одним концом прикреплена к оси, а другим - к рычагу корректора 7, вилка которого охватывает эксцентричный стержень винта 8. Вращением этого винта достигается установка стрелки на нулевое деление шкалы. Противовесы 9 служат для уравновешивания подвижной части измерителя с целью стабилизации положения стрелки при изменении положения прибора.
Рис. 1. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма.
Измеряемый ток, проходя по виткам рамки, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. Создаваемый при этом вращающий момент, направление которого определяется известным правилом левой руки, вызывает поворот рамки на такой угол, при котором он уравновешивается противодействующим моментом, возникающим при закручивании пружин 5. Благодаря равномерности постоянного магнитного поля в воздушном зазоре вращающий момент, а следовательно, и угол отклонения стрелки оказываются пропорциональными току, протекающему через рамку. Поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы. Другие величины, влияющие на значение вращающего момента магнитная индукция в воздушном зазоре, число витков и площадь рамки - остаются постоянными и в совокупности с силой упругости пружин определяют чувствительность измерителя.
При повороте рамки в её алюминиевом каркасе индуцируются токи, взаимодействие которых с полем постоянного магнита создаёт тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть измерителя (время успокоения не превышает 3 с).
Измерители характеризуются тремя электрическими параметрами: а) током полного отклонения Iи, вызывающим отклонение стрелки до конца шкалы; б) напряжением полного отклонения Uи, т. е. напряжением на рамке измерителя, создающим в её цепи ток Iи; в) внутренним сопротивлением Rи, которое является сопротивлением рамки. Эти параметры взаимосвязаны законом Ома:
В радиоизмерительных приборах применяют различные типы магнитоэлектрических измерителей, ток полного отклонения которых обычно лежит в пределах 10...1000 мкА. Измерители, у которых ток полного отклонения не превышает 50-100 мкА, считаются высокочувствительными.
Некоторые измерители снабжаются магнитным шунтом в виде стальной пластинки, которую можно приближать к торцовым поверхностям полюсных наконечников и магнита или удалять от них. При этом будет соответственно уменьшаться или возрастать в небольших пределах ток полного отклонения I, вследствие изменения воздействующего на рамку магнитного потока из-за ответвления части полного магнитного потока через шунт.
Напряжение полного отклонения Uи для большинства измерителей лежит в пределах 30-300 мВ. Сопротивление рамки Rи зависит от периметра рамки, числа витков и диаметра провода. Чем чувствительнее измеритель, тем больше витков из более тонкого провода имеет его рамка и тем больше её сопротивление. Повышение чувствительности измерителей достигается также применением более мощных магнитов, бескаркасных рамок, пружин с малым противодействующим моментом и подвеской подвижной части на растяжках (двух тонких нитях).
В чувствительных измерителях с бескаркасными рамками стрелка, отклоняясь под действием проходящего по рамке тока, совершает ряд колебаний, прежде чем остановиться в положении равновесия. Для уменьшения времени успокоения стрелки рамку шунтируют резистором с сопротивлением порядка тысяч или сотен Ом. Роль последнего иногда выполняет электрическая схема прибора, включённая параллельно рамке.
Измерители с подвижными рамками позволяют получить угол полного отклонения стрелки до 90-100°. Малогабаритные измерители иногда выполняются с неподвижной рамкой и подвижным магнитом, укреплённым на одной оси со стрелкой. При этом удаётся увеличить угол полного отклонения стрелки до 240°.
Особо чувствительные измерители, служащие для измерений весьма малых токов (менее 0,01 мкА) и напряжений (менее 1 мкВ), называются гальванометрами. Они часто применяются в качестве нуль-индикаторов (индикаторов отсутствия в цепи тока или напряжения) при измерениях методами сравнения. По способу отсчёта различают гальванометры стрелочные и зеркальные; в последних отсчётная риска на шкале создаётся с помощью светового луча и зеркальца, укреплённого на подвижной части прибора.
Магнитоэлектрические измерители пригодны для измерений только на постоянном токе. Изменение направления тока в рамке приводите изменению направления вращающего момента и отклонению стрелки в обратную сторону. При включении измерителя в цепь переменного тока с частотой до 5-7 Гц стрелка будет непрерывно колебаться около нуля шкалы с этой частотой. При большей частоте тока подвижная система вследствие своей инерционности не успевает следовать за изменениями тока и стрелка остаётся в нулевом положении. Если через измеритель протекает пульсирующий ток, то отклонение стрелки определяется постоянной составляющей этого тока. Чтобы исключить при этом дрожание стрелки, измеритель шунтируют конденсатором большой ёмкости.
Измерители, предназначенные для работы в цепи постоянного тока, направление которого неизменно, имеют одностороннюю шкалу, одним из концов которой служит нулевое деление. Для получения правильного отклонения стрелки необходимо, чтобы ток протекал через рамку в направлении от зажима с обозначением «+» к зажиму с обозначением «-». Измерители, предназначенные для работы в цепях постоянного тока, направление которого может изменяться, снабжаются двусторонней шкалой, нулевое деление которой обычно располагается посредине; при протекании тока в приборе от зажима «+» к зажиму «-» стрелка отклоняется вправо.
Магнитоэлектрические измерители выдерживают кратковременную перегрузку, достигающую 10-кратного значения тока Iи, и 3-кратную длительную перегрузку. Они не чувствительны к внешним магнитным полям (из-за наличия сильного внутреннего магнитного поля), потребляют при измерениях небольшую мощность и могут быть выполнены всех классов точности.
Для измерений на переменном токе магнитоэлектрические измерители применяют совместно с полупроводниковыми, электронными, фотоэлектрическими или термопреобразователями ; в совокупности они образуют соответственно выпрямительные, электронные, фотоэлектрические или термоэлектрические приборы.
В измерительных приборах иногда используют электромагнитные, электродинамические и ферродинамические измерители, которые пригодны для непосредственного измерения как постоянных токов, так и среднеквадратических значений переменных токов, имеющих частоту до 2,5 кГц. Однако измерители этих типов значительно уступают магнитоэлектрическим в отношении чувствительности, точности и потребляемой при измерениях мощности. Кроме того, они имеют неравномерную шкалу, сжатую в начальной части, и чувствительны к воздействию внешних магнитных полей, для ослабления которых приходится использовать магнитные экраны и усложнять конструкцию приборов.
Определение электрических параметров магнитоэлектрических измерителей
При использовании в качестве измерителя магнитоэлектрического прибора измерительного механизма неизвестного типа параметры последнего - ток полного отклонения Iи и внутреннее сопротивление Rи - приходится определять опытным путём.
Рис. 2. Схемы измерения электрических параметров магнитоэлектрических измерителей
Сопротивление рамки Rи можно приближённо замерить омметром, имеющим необходимый предел измерений. При проверке высокочувствительных измерителей нужно соблюдать осторожность, так как большой ток омметра может их повредить. Если используется многопредельный батарейный омметр, то измерение следует начинать с наиболее высокоомного предела, при котором ток в цепи питания омметра наименьший. Переход на другие пределы допускается лишь в том случае, если это не вызывает зашкаливания стрелки измерителя.
Достаточно точно параметры измерителя могут быть определены по схеме на рис. 2, а. Схему питают от источника постоянного напряжения Б через резистор R1, служащий для ограничения тока в цепи. Реостатом R2 добиваются отклонения стрелки измерителя И на всю шкалу. При этом значение тока Iи отсчитывают по образцовому (опорному) микроамперметру (миллиамперметру) μА (При наладке, поверке и градуировке средств измерений в случае отсутствия образцовых приборов и мер применяют рабочие приборы и меры более высокого класса точности, чем испытуемые; такие приборы и меры будем называть опорными). Затем параллельно измерителю подключают опорный магазин сопротивлений Rо, изменением сопротивления которого добиваются уменьшения тока через измеритель ровно в два раза по сравнению с током в общей цепи. Это будет иметь место при сопротивлении Rо = Rи. Вместо магазина сопротивлений можно применить любой переменный резистор с последующим измерением его сопротивления Rо = Rи с помощью омметра или моста постоянного тока. Возможно также включение параллельно измерителю нерегулируемого резистора с известным сопротивлением R, желательно близким к предполагаемому сопротивлению Rи; тогда значение последнего определяется по формуле
Rи =(I/I1 - 1) * R,
где I и I1 - токи, отсчитываемые соответственно по приборам μA и И.
Если измеритель И имеет равномерную шкалу, содержащую αп делений, то можно применить схему, приведённую на рис. 2, б. Искомые параметры измерителя вычисляются по формулам:
Iи = U/(R1+R2) * αп/α1 ; Rи = (α2 * R2)/(α1-α2) - R1 ,
где U - напряжение питания, отсчитываемое по вольтметру V, α1 и α2 - отсчёты по шкале измерителя при установке переключателя В соответственно в положения 1 и 2, a R1 и R2 - известные сопротивления резисторов, которые берутся примерно одинаковых номиналов. Погрешность измерений тем меньше, чем ближе отсчёт α1 к концу шкалы, что достигается соответствующим выбором сопротивления
Магнитоэлектрические миллиамперметры и амперметры
Магнитоэлектрические измерители при непосредственном включении в электрические цепи могут быть применены лишь в качестве микроамперметров постоянного тока с пределом измерения, равным току полного отклонения Iи. Для расширения предела измерения измеритель И включают в цепь тока параллельно шунту - резистору малого сопротивления Rш (рис. 3); при этом через измеритель будет протекать лишь часть измеряемого тока и тем меньшая, чем меньше сопротивление Rш по сравнению с сопротивлением измерителя Rи. При радиоэлектронных измерениях максимально необходимый предел измерения постоянных токов редко превосходит 1000 мА (1 А).
При выбранном предельном значении измеряемого тока Iп через измеритель должен протекать ток полного отклонения Iи; это будет иметь место при сопротивлении шунта
Rш = Rи:(Iп/Iи - 1). (1)
Например, при необходимости расширения предела измерений микроамперметра типа М260, имеющего параметры Iп = 0,2 мА и Rи = 900 Ом, до значения Iп = 20 мА необходимо применить шунт сопротивлением Rш = 900 /(100-1) = 9,09 Ом.
Рис. 3. Схема градуировки магнитоэлектрического миллиамперметра (амперметра)
Шунты к миллиамперметрам изготовляются из манганиновой или константановой проволоки. Благодаря высокому удельному сопротивлению материала размеры шунтов получаются небольшими, что позволяет включать их непосредственно между зажимами прибора внутри или снаружи его кожуха. Если известно значение тока Iп (в амперах), то диаметр проволоки шунта d (в миллиметрах) выбирают из условия
d >= 0,92 I п 0,5 , (2)
при выполнении которого плотность тока в шунте не превышает 1,5 А/мм 2 . Например, шунт миллиамперметра с пределом измерения Iп = 20 мА должен изготовляться из проволоки диаметром 0,13 мм.
Подобрав проволоку подходящего диаметра d (в миллиметрах), длина её (в метрах), необходимая для изготовления шунта сопротивлением Rш (в омах), приближённо находится по формуле
L = (1,5...1,9)d 2 * Rш (3)
и точно подгоняется при включении прибора по схеме на рис. 3 последовательно с опорным миллиамперметром mА.
Шунты на большие токи (к амперметрам) обычно изготовляются из листового манганина. Для исключения влияния переходных сопротивлений контактов и сопротивлений соединительных проводников такие шунты имеют четыре зажима (рис. 4, а). Наружные массивные зажимы называются токовыми и служат для включения шунта в цепь измеряемого тока. Внутренние зажимы называются потенциальными и предназначены для подключения измерителя. Подобная конструкция также исключает возможность повреждения измерителя большим током при случайном отключении шунта.
Для уменьшения температурной погрешности измерений, вызываемой различной зависимостью от температуры сопротивлений рамки измерителя и шунта, последовательно с измерителем включают манганиновый резистор Rк (рис. 4, б); погрешность снижается во столько раз, во сколько увеличивается сопротивление цепи измерителя. Еще лучшие результаты достигаются при включении терморезистора Rк с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. При расчёте прибора с температурной компенсацией под сопротивлением Rи в расчётных формулах следует понимать суммарное сопротивление измерителя и резистора Rк.
Рис. 4. Схемы включения шунта на большие токи (а) и элемента температурной компенсации (б)
С учётом влияния шунта внутреннее сопротивление миллиамперметра (амперметра)
Rма = RиRш/(Rи+Rш). (4)
Для обеспечения достаточно высокой точности в широком диапазоне измеряемых токов прибор должен иметь несколько пределов измерений; это достигается применением ряда переключаемых шунтов, рассчитанных на различные значения предельного тока Iп.
Переходным множителем шкалы N называют отношение верхних предельных значений двух смежных пределов измерений. При N = 10, как, например, в четырёхпредельном миллиамперметре с пределами 1, 10, 100 и 1000 мА, шкала прибора, выполненная для одного из пределов (1 мА), может быть легко применена для измерения токов на остальных пределах посредством умножения отсчёта на соответствующий множитель 10, 100 или 1000. При этом диапазон измерений будет достигать 90% диапазона показаний, что приведёт к заметному возрастанию погрешности измерения тех значений токов, которым соответствуют отсчёты на начальных участках шкал.
Рис. 5. Шкалы многопредельных магнитоэлектрических миллиамперметров
С целью повышения точности измерений в некоторых приборах предельные значения измеряемых токов выбирают из ряда чисел 1, 5, 20, 100, 500 и т. д., применяя для отсчёта общую шкалу с несколькими рядами числовых отметок (рис. 5, а). Иногда предельные значения выбирают из ряда чисел 1, 3, 10, 30, 100 и т. д., что позволяет исключить отсчёт по первой трети шкалы; однако при этом шкала должна иметь два ряда отметок, проградуированных в значениях, кратных соответственно 3 и 10 (рис. 5, б).
Переключение шунтов, необходимое для перехода от одного предела измерений к другому, может осуществляться посредством переключателя при использовании на всех пределах общих входных зажимов (рис. 6) или с помощью системы разрезных гнёзд, половинки которых замыкаются между собой металлическим штепселем измерительного шнура (рис. 7). Особенностью схем на рис. 6, б, и 7, б является то, что в состав шунта каждого предела измерений входят резисторы шунтов других, менее чувствительных пределов.
Рис. 6. Схемы многопредельных миллиамперметров с переключателями пределов измерений.
При переключении под током предела измерений прибора возможно повреждение измерителя, если он окажется кратковременно включённым без шунта в цепь измеряемого тока. Во избежание этого конструкция переключателей (рис. 6) должна обеспечивать переход с одного контакта на другой без разрыва цепи. Соответственно конструкция разрезных гнёзд (рис. 7) должна позволять штепселю измерительного шнура при включении первоначально замыкаться с шунтом, а затем с цепью измерителя.
Рис. 7. Схемы многопредельных миллиамперметров со штепсельно-гнездовой коммутацией пределов измерений.
С целью предохранения измерителя от опасных перегрузок параллельно ему иногда ставят кнопку Кн с размыкающим контактом (рис. 7, б); измеритель включается в схему лишь при нажатой кнопке. Эффективным способом защиты чувствительных измерителей является шунтирование их (в прямом направлении) специально подобранными полупроводниковыми диодами; при этом, однако, возможно нарушение равномерности шкалы.
По сравнению с приборами, имеющими переключаемые шунты, более надёжными в работе являются многопредельные приборы с универсальными шунтами. Универсальный шунт представляет собой группу последовательно соединённых резисторов, образующих вместе с измерителем замкнутую цепь (рис. 8). Для подключения к исследуемой цепи используется общий минусовый зажим и зажим, соединённый с одним из отводов шунта. При этом образуются две параллельные ветви. Например, при установке переключателя В в положение 2 (рис. 8, а) в одну ветвь входят резисторы действующего участка шунта, имеющего сопротивление Rш.д = Rш2 + Rш3, во второй ветви последовательно с измерителем включён резистор Rш1. Сопротивление Rш.д должно быть таким, чтобы при предельном измеряемом токе Iп через измеритель протекал ток полного отклонения Iи. В общем случае
Rш.д = (Rш + Rи) (Iи/Iп). (5)
где Rш = Rш1 + Rш2 + Rш3 + ... есть полное сопротивление шунта.
Универсальный шунт в целом выполняет функцию действующего шунта на пределе 1, которому отвечает наименьшее предельное значение измеряемого тока Iп1; его сопротивление можно подсчитать по формуле (1). Если выбраны пределы измерений Iп2 = = N12*Iп1; Iп3 = N23*Iп2; Iп4 = N34*Iп3 и т. д., то сопротивления отдельных участков шунта определятся выражениями:
Rш2 + Rш3 + RШ4 + ... = Rш/N12;
Rш3 + Rш4 + ... = Rш/(N12*N23);
Rш4 + ... = Rш/(N12*N23*N34) и т. д. Разность сопротивлений из двух смежных равенств позволяет определить сопротивления отдельных компонентов шунта Rш1, Rш2, Rш3 и т. д.
Рис. 8. Схемы многопредельных миллиамперметров с универсальными шунтами
Из приведённых выше выражений видно, что переходные множители N12, N23, N34 и т. д. целиком определяются отношением сопротивлений отдельных участков шунта и совершенно не зависят от данных измерителя. Поэтому один и тот же универсальный шунт, присоединённый параллельно различным измерителям, будет изменять их пределы в одинаковое число раз; при этом исходный предел измерений определится формулой
Iп1 = Iи*(Rи/Rш + 1). (6)
Из схем на рис. 8 видно, что в приборах с универсальными шунтами пределы измерений могут выбираться как с помощью переключателей, так и посредством гнёзд обычного типа. Нарушение контакта в этих схемах безопасно для измерителя. Если примерное значение подлежащего измерению тока неизвестно, то перед подключением многопредельного прибора к исследуемой цепи следует устанавливать наибольший верхний предел измерений,
Градуировка магнитоэлектрических миллиамперметров и амперметров
Градуировка измерительного прибора заключается в определении его градуировочной характеристики, т. е. зависимости между значениями измеряемой величины и показаниями отсчётного устройства, выраженной в виде таблицы, графика или формулы. Практически градуировка стрелочного прибора завершается нанесением на его шкалу делений, отвечающих определённым численным значениям измеряемой величины.
Для магнитоэлектрических приборов, имеющих равномерные шкалы, основной задачей градуировки является установление соответствия конечного деления шкалы предельному значению измеряемой величины, что может быть выполнено с помощью схемы, подобной приведённой на рис. 3. Градуируемый прибор подключается к зажимам 1 и 2. Реостатом R в цепи, питаемой источником постоянного тока, устанавливают по опорному прибору mА предельное значение тока Iп и отмечают точку шкалы, до которой отклоняется стрелка измерителя И. Если градуируемый прибор имеет один предел, то за конечную точку шкалы может быть принята любая точка вблизи упора, ограничивающего перемещение стрелки. В многопредельных приборах с кратными шкалами такой произвольный выбор конца шкалы можно производить лишь на одном пределе, принимаемом за исходный.
Если стрелка при токе Iп не находится на конечном делении шкалы, необходима регулировка прибора. В однопредельных приборах или на исходном пределе многопредельного прибора эта регулировка может быть произведена с помощью магнитного шунта. При отсутствии последнего регулировку осуществляют подгонкой сопротивлений шунтов. Если при токе Iп стрелка не доходит до конечного деления, то сопротивление шунта Rш следует увеличить; при зашкаливании стрелки сопротивление шунта уменьшают.
При градуировке многопредельных приборов, работающих по схемам, приведённым на рис. 6, б, 7, б и 8, подгонка шунтов должна проводиться в определённом порядке, начиная с сопротивления шунта Rш, соответствующего наибольшему предельному току Iп3; затем последовательно подгоняются сопротивления шунтов Rш2 и Rш1. При переключении пределов может потребоваться замена опорного прибора, верхний предел измерений которого во всех случаях должен быть равен или несколько превышать предельное значение градуируемой шкалы.
Зная положения начального и конечного делений равномерной шкалы, легко определить положения всех промежуточных делений. Следует, однако, учитывать, что у некоторых магнитоэлектрических приборов вследствие конструктивных недостатков или особенностей измерительной схемы может не быть точной пропорциональности между угловым перемещением стрелки и измеряемым током. Поэтому желательно проверить градуировку шкалы в нескольких промежуточных точках, изменяя ток реостатом R. Резистор Rо служит для ограничения тока в цепи.
Градуировка должна выполняться при полностью собранном приборе, находящемся в нормальных рабочих условиях. Полученные опорные точки наносятся на поверхность шкалы остро отточенным карандашом (при снятом с кожуха измерителя стекле) или фиксируются по отметкам имеющейся шкалы прибора. Если старая шкала измерителя негодна, то изготовляется новая шкала из плотной гладкой бумаги, которая наклеивается на место старой шкалы клеем, стойким к сырости. Положение новой шкалы должно строго соответствовать положению, занимаемому старой шкалой при градуировке прибора. Хорошие результаты достигаются при вычерчивании шкалы чёрной тушью в увеличенном масштабе с последующим изготовлением её фотокопии требуемого размера.
Рассмотренные выше общие принципы градуировки приложимы к стрелочным измерительным приборам различного назначения.
Особенности измерения постоянных токов
Для измерения тока прибор (например, миллиамперметр) включают последовательно в исследуемую цепь; это приводит к возрастанию общего сопротивления цепи и уменьшению протекающего в ней тока. Степень этого уменьшения оценивается (в процентах) коэффициентом влияния миллиамперметра
Вма = 100*Rма/(Rма + Rц),
где Rц есть общее сопротивление цепи между точками подключения прибора (например, зажимами 1 и 2 на схеме рис. 3).
Умножая числитель и знаменатель правой части формулы на значение тока в цепи I и учитывая, что I*Rма есть падение напряжения на миллиамперметре Uма, а I (Rма + Rц) равно э.д.с. Е, действующей в исследуемой схеме, получаем
Вма = 100*Uма/Е.
В сложной (разветвлённой) цепи под э. д. с. Е нужно понимать напряжение холостого хода между точками разрыва цепи, к которым должен подключаться прибор.
Предельным значением напряжения Uма является падение напряжения на приборе Uп, вызывающее отклонение его стрелки до конечной отметки шкалы. Следовательно, предельно возможное значение коэффициента влияния при использовании данного прибора
Bп = 100Uп/E. (7)
Из приведённых формул следует, что чем меньше э. д. с. Е, тем сильнее влияет прибор на измеряемый ток. Например, если Uп/E = 0,1, то Вп = 10%, т. е. включение прибора может вызвать уменьшение тока в цепи на 10%; при Uп/E = 0,01 уменьшение тока не превосходит 1%. Поэтому при измерении тока накала радиоламп или эмиттерного тока транзисторов следует ожидать значительно большего изменения тока в цепи, чем при измерении анодных, экранных или коллекторных токов. Очевидно также, что при одинаковых пределах измерений меньшее влияние на измеряемый ток оказывает прибор, характеризуемый меньшим значением напряжения Uп. В многопредельных миллиамперметрах с переключаемыми шунтами (рис. 6 и 7) на всех пределах измерений максимальное падение напряжения на приборе одинаково и равно напряжению полного отклонения измерителя, т. е. Uп = Uи = Iи/Rи, а мощность, потребляемая прибором, ограничивается значением
Рп = IиUи = Iп*Iи*Rи. В миллиамперметрах с универсальными шунтами (рис. 8) падение напряжения на приборе равно Iи*Iи лишь на исходном пределе 1. На других пределах оно возрастает до значения Uп ≈ Iи*(Rп + Rш) (при увеличении потребляемой прибором мощности в (Rи + Rш)/Rи раз), так как представляет собой сумму падений напряжений на измерителе и включённом последовательно с ним участке шунта. Следовательно, прибор с универсальным шунтом при прочих равных условиях сильнее влияет на режим исследуемых цепей, чем прибор с переключаемыми шунтами.
Если взять полное сопротивление универсального шунта Rш >> Rи, то низший предел миллиамперметра будет близок к Iи, однако на других пределах падение напряжения на приборе может оказаться чрезмерно большим. Если же взять сопротивление Rш небольшим, то возрастёт наименьший предельный ток Iп1 прибора. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо решать вопрос о допустимом значении сопротивления шунта Rш.
При включении магнитоэлектрического прибора в цепь пульсирующего или импульсного тока с целью измерения постоянной составляющей этого тока необходимо параллельно прибору присоединить конденсатор большой ёмкости, имеющий для переменной составляющей тока сопротивление, значительно меньшее внутреннего сопротивления прибора Rма. С целью устранения влияния ёмкости прибора относительно корпуса исследуемой установки место включения прибора в высокочастотные цепи выбирают таким образом, чтобы один из его зажимов непосредственно или через конденсатор большой ёмкости соединялся с корпусом.
В некоторых случаях в различные цепи исследуемого радиоэлектронного устройства включают постоянные шунты, что позволяет с помощью одного и того же магнитоэлектрического измерителя поочерёдно контролировать токи в этих цепях без их разрыва.
Задача 1. Рассчитать схему миллиамперметра с универсальным шунтом (рис. 8) на три предела измерений: 0,2; 2 и 20 мА при переходном множителе N = 10. Измеритель прибора - микроамперметр типа М94 - имеет данные: Iи= 150 мкА = 0,15 мА, Rи = 850 Ом, Uи = Iи/Rи = 0,128 В. Для каждого предела найти падение напряжения на приборе при предельном токе, а также максимально возможное влияние прибора на измеряемый ток, если в цепи последнего действует э. д. с. Е = 20 В.
1. На пределе 1 (Iп1 = 0,2 мА) шунтом к измерителю является универсальный шунт в целом. Полное сопротивление последнего, определённое по формуле (1), Rш = 2550 Ом.
Падение напряжения на приборе при предельном токе Uп1 = Uи = 0,128 В. Предельно возможный коэффициент влияния миллиамперметра Вп1 = (Uп1/E)*100= 0,64%.
2. Для предела 2 (Iп2 = 2 мА) сопротивление шунтирующего участка универсального шунта Rш2+ Rш3 = Rш/N = 255 Ом. Следовательно, сопротивление Rш1 = Rш - (Rш2 + Rш3) = 2295 Ом.
Предельное падение напряжения на приборе Uп2 = Iи/(Rи + Rш1) = 0,727 В. Предельный коэффициент влияния Вп2 = 100*Uп2/E = 3,63%.
3. Для предела 3 (Iп3 = 20 мА) Rш3 = Rш/N 2 = 25,5 Ом; Rш2 = 255-25,5 = 229,5 Ом; Uп3 = Iп*(Rи + Rш1 + Rш2) = 0,761 В; Вп3 = 100*п3/Е = 3,80%.
Задача 2. Рассчитать схему миллиамперметра с универсальным шунтом на три предела измерений: 5, 50 и 500 мА. Измеритель прибора - микроамперметр типа М260М - имеет данные: Iи = 500 мкА, Rи = 150 Ом. Определить влияние прибора на измеряемый ток, если измерения на пределах 5 и 50 мА производятся в цепях, в которых действуют э. д. с. не менее 200 В, а на пределе 500 мА - в цепи накала радиолампы, питаемой от батареи с э.д.с. 6 В.
Ответ: Rш= 16,67 Ом; Rш1 = 15 Ом; Rш2= 1,5 Ом; Rш3=0,17 Ом; Uп1 = 75 мВ; Вп1 = 0,037%; Uп2 = 82,5 мВ; Вп2 = 0,041%; Uп3 = 83 мВ; Вп3= 1,4%.
Ответ: 1) Rш1 = 16,67 Ом; Rш2 = 1,52 0м; Rш3=0,15 Ом; 2) Rш1 =15,15 Ом; Rш2= 1,37 Ом; Rш3 = 0,15 Ом.
Транзисторные микроамперметры постоянного тока
При необходимости измерения весьма малых токов, значительно меньших тока полного отклонения Iи имеющегося магнитоэлектрического измерителя, последний применяют совместно с усилителем постоянного тока. Наиболее простыми и экономичными являются усилители на биполярных транзисторах. Усиления тока можно добиться при включении транзисторов по схемам с общим эмиттером и общим коллектором, однако первая схема предпочтительнее, поскольку она обеспечивает меньшее входное сопротивление усилителя.
Рис. 9. Схемы однотранзисторных микроамперметров постоянного тока
Простейшая схема однотранзисторного микроамперметра, питаемого от источника с э.д.с. Е = 1,5...4,5 В, показана на рис. 9, а, сплошными линиями. Током базы Iб является измеряемый ток, при некотором номинальном значении которого Iн в цепи коллектора протекает ток Iк, равный току полного отклонения Iи измерителя И. Статический коэффициент передачи тока Вст = Iк/Iб = Iи/Iн, откуда номинальный измеряемый ток Iн = Iи/Bст. Например, при использовании транзистора типа ГТ115А, имеющего Вст = 60, и измерителя типа М261 с током Iи = 500 мкА номинальный ток Iн = 500/60 ≈ 8,3 мкА. Поскольку зависимость между токами Iк и Iб близка к линейной, то шкала измерителя, проградуированная в значениях измеряемого тока, будет почти равномерной (за исключением небольшого начального участка шкалы до 10% её длины). Включением специально подобранного шунта между входными зажимами можно повысить предельный измеряемый ток до удобного для расчётов значения (например, до 10 мкА).
В реальных схемах транзисторных микроамперметров принимают меры, направленные к стабилизации режима работы и коррекции возможных его отклонений. Прежде всего недопустимо (особенно при повышенном напряжении питания) размыкание цепи базы транзистора, которое может иметь место в процессе измерений. Поэтому базу соединяют с эмиттером через резистор небольшого сопротивления либо, как это показано штриховой линией на рис. 9, а, с отрицательным полюсом источника посредством резистора Rб с сопротивлением порядка сотен килоом. В последнем случае к базе подводится напряжение смещения, которое задаёт режим работы усилителя. Затем с целью подгонки требуемого номинального тока (предположим, 10 мкА для приведённого выше примера) параллельно измерителю (или последовательно с ним) включают подстроечный резистор Rш = (2...5) Rи.
Следует учесть, что при отсутствии измеряемого тока через измеритель будет протекать начальный ток коллектора Iк.н, достигающий 5-20 мкА и обусловленный наличием неуправляемого обратного тока коллектора Iк.о и тока в цепи базового резистора Rб. Действие тока Iк.н можно компенсировать установкой стрелки измерителя на нуль механическим корректором прибора. Однако рациональнее перед началом измерений производить электрическую установку нуля, например, с помощью вспомогательного элемента питания Е0 и реостата R0 = (5...10) Rи, создавая в цепи измерителя компенсационный ток I0, равный по значению, но обратный по направлению току Iк.н. Вместо двух источников питания можно применить один (рис. 9, б), включив параллельно ему делитель напряжения из двух резисторов R1 и R2 с сопротивлениями порядка сотен ом. При этом образуется схема моста постоянного тока (см. Мостовой метод измерения электрических сопротивлений), который уравновешивается изменением сопротивления одного из плеч (R0).
Необходимость усложнения исходной схемы однотранзисторного усилителя приводит к тому, что коэффициент усиления по току
Ki = Uи/Iн (8)
оказывается меньше коэффициента передачи тока Вст используемого транзистора. Более того, надежную работу транзисторного микроамперметра удаётся обеспечить лишь при условии выбора Ki << Вст.
Как известно, параметры транзистора существенно зависят от температуры окружающей среды. Изменение последней приводит к самопроизвольным колебаниям (дрейфу) обратного тока коллектора Iк.о, который в германиевых транзисторах возрастает почти в 2 раза на каждые 10 К увеличения температуры. Это вызывает заметное изменение коэффициента усиления по току Кi и входного сопротивления усилителя, что может привести к полному нарушению градуировочной характеристики прибора. Следует также учитывать и наблюдаемое с течением времени необратимое изменение параметров («старение») транзисторов, что создаёт необходимость в периодической проверке и коррекции градуировочной характеристики транзисторного прибора.
Если изменение тока Iк.o можно в какой-то степени компенсировать установкой нуля перед началом измерений, то для стабилизации коэффициента усиления Ki приходится принимать специальные меры. Так, смещение на базу (рис. 9, б) подают посредством делителя напряжения из резисторов Rб1 и Rб2, причём в качестве последнего иногда используют термистор, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Термистор можно заменить диодом Д, включённым параллельно резистору Rб1. С повышением температуры обратное сопротивление диода уменьшается, что приводит к такому перераспределению напряжений между электродами транзистора, которое противодействует возрастанию тока коллектора. В том же направлении действует и отрицательная обратная связь между коллектором и базой, появляющаяся благодаря подключению к коллектору (а не к минусу питания) вывода резистора Rб2. Наиболее эффективное действие оказывает отрицательная обратная связь, возникающая при включении в цепь эмиттера резистора Rэ.
Повышение устойчивости работы усилителя посредством применения достаточно глубокой отрицательной обратной связи приводит к малому отношению коэффициентов Ki/Bст. Поэтому для получения коэффициента усиления Ki, равного нескольким десяткам, приходится подбирать для микроамперметра германиевый транзистор с высоким коэффициентом передачи тока: Вст = 120...200.
В микроамперметрах возможно применение кремниевых транзисторов, которые по сравнению с германиевыми обладают параметрами, более стабильными как во времени, так и в отношении температурных влияний. Однако коэффициент Вст у кремниевых транзисторов обычно невелик. Повысить его можно путём использования схемы составного транзистора (рис. 9, в); последний имеет коэффициент передачи тока Вст примерно равный произведению соответствующих коэффициентов составляющих его транзисторов, т. е. Вст ≈ Вст1*Вст2. Однако обратный ток коллектора составного транзистора:
Iк.о ≈ Iк.о2 + Bст2*Iк.о1
значительно превышает соответствующие токи его компонентов и подвержен заметным температурным колебаниям, что приводит к необходимости стабилизации режима усилителя.
Высокой устойчивости работы транзисторного микроамперметра легче достигнуть при выполнении его усилителя по балансной схеме с двумя обычными или составными транзисторами, специально подобранными по идентичности их параметров (в первую очередь - по примерному равенству коэффициентов Вст и токов Iк.o). Типовая схема подобного прибора с элементами стабилизации и коррекции приведена на рис. 10. Поскольку начальные коллекторные токи транзисторов примерно в одинаковой степени зависят от температуры и напряжения питания, а через измеритель они протекают в противоположных направлениях, компенсируя друг друга, то повышаются устойчивость нулевого положения стрелки измерителя и равномерность его шкалы. Глубокая отрицательная обратная связь, обеспечиваемая резисторами Rэ и Rб.к, повышает стабильность коэффициента усиления по току. Балансная схема повышает также чувствительность микроамперметра, поскольку измеряемый ток создаёт на входных электродах обоих транзисторов потенциалы различных знаков; в результате внутреннее сопротивление одного транзистора увеличивается, а другого - уменьшается, что усиливает разбаланс места постоянного тока, в диагональ которого включён измеритель И.
При налаживании балансного микроамперметра подстроечным потенциометром Rк осуществляют уравнивание потенциалов коллекторов, что контролируется по отсутствию показаний измерителя при замкнутых накоротко входных зажимах. Установка нуля в процессе эксплуатации производится потенциометром Rб посредством уравнивания токов баз при разомкнутых входных зажимах. Следует учитывать, что эти две регулировки взаимозависимы и при отладке прибора их необходимо несколько раз поочерёдно повторять.
Рис. 10. Балансная схема транзисторного микроамперметра
Входное сопротивление микроамперметра Rмка в основном определяется суммарным сопротивлением R = Rб1 + Rб2 + R6, действующим между базами транзисторов, и примерно составляет (0,8...0,9)*R; его точное определение, так же как и номинального предельного тока Iн, приходится осуществлять опытным путём. Подгонку требуемого значения номинального тока удобно производить с помощью шунтирующей цепочки резисторов сопротивление которой необходимо учитывать при определении входного сопротивления Rмка.
Стабильность входного сопротивления позволяет производить расширение предела измерений в направлении понижения чувствительности с помощью шунтов. Сопротивление шунта, необходимое для получения предельного измеряемого тока Iп,
Rш.п = Rмка*Iн/(Iп - Iн) = Rмка*Iи/(Ki*Iп - Iи) (9)
При указанных на схеме численных данных и использовании транзисторов с Вст ≈ 150 балансный микроамперметр имеет коэффициент усиления Ki ≈ 34 и посредством подстроечного резистора Rm может быть подогнан под номинальный ток Iн = 10 мкА. При необходимости получения номинального тока примерно 1 мкА усилитель дополняется вторым каскадом, который часто выполняется по схеме эмиттерного повторителя, что облегчает согласование выходного сопротивления усилителя с малым сопротивлением измерителя И.
При проверке силовых электрических цепей часто возникает необходимость в измерении силы тока. Чтобы измерить величину постоянного тока, как правило, применяют резисторный шунт, включенный последовательно с нагрузкой, напряжение на котором пропорционально току. Однако, если возникнет необходимость в измерении больших токов, то потребуется шунт внушительной мощности, поэтому целесообразнее использовать другие методы измерения.
В связи с этим у меня возникла идея собрать измеритель тока на основе датчика Холла. Его схема представлена на рисунке.
Особенности амперметра:
- Измерение силы переменного или постоянного тока без электрического контакта с цепью
- Измерение истинного среднеквадратичного (TrueRMS) значения тока независимо от формы сигнала, а также максимального значения за период (приблизительно 0.5 секунды)
- Вывод информации на символьный LCD дисплей
- Два режима измерения (до 10А и до 50А)
Схема работает следующим образом. Провод с током располагается внутри ферритового кольца, создавая при этом магнитное поле, величина которого прямо пропорциональна силе тока. Датчик Холла, расположенный в воздушном зазоре сердечника, преобразует величину индукции поля в напряжение, и это напряжение подается на операционные усилители. ОУ необходимы, чтобы привести уровни напряжения с датчика к диапазону входных напряжений АЦП. Полученные данные обрабатываются микроконтроллером и выводятся на LCD дисплей.
Предварительный расчет схемы
В качестве сердечника использовано кольцо R20*10*7 из материала N87. Датчик Холла - SS494B.
С помощью надфиля в кольце протачивается зазор такой толщины, чтобы там поместился датчик, то есть около 2 мм. На данном этапе уже можно примерно оценить чувствительность датчика к току и максимально возможный измеряемый ток.
Эквивалентная проницаемость сердечника с зазором приблизительно равна отношению длины магнитной линии к величине зазора:
Тогда, подставив это значение в формулу расчета индукции в сердечнике и умножив это все на чувствительность датчика, найдем зависимость выходного напряжения датчика от силы тока:
Здесь K B - чувствительность датчика к индукции магнитного поля, выраженная в В/Тл (берется из даташита).
Например, в моем случае l з = 2 мм = 0,002 м, K B = 5 мВ/Гаусс = 50 В/Тл, откуда получаем:
Реальная чувствительность к току оказалась равной 0,03В/А , то есть расчет получается весьма точным.
Согласно даташиту на SS494B, максимальная измеряемая датчиком индукция равна 420 Гауссов, следовательно максимальный измеряемый ток равен:
Фото датчика в зазоре:
Расчет цепей ОУ
В амперметре имеется два канала: до 10 А (23 вывод МК), и до 50 А (24 вывод МК). Переключением режимов занимается мультиплексор АЦП.
В качестве опорного напряжения АЦП выбран внутренний ИОН, поэтому сигнал необходимо привести к диапазону 0 - 2.56 В. При измерении токов величиной ±10 А напряжение датчика составляет 2,5±0,3 В, следовательно нужно усилить и сместить его так, чтобы нулевая точка находилась точно посередине диапазона АЦП. Для этого используется ОУ IC2:A, включенный как неинвертирующий усилитель. Напряжение на его выходе описывается уравнением:
Здесь под R2 подразумеваются последовательно соединенные R2 и P2, а под R3 соответственно R3 и P3, чтобы выражение не выглядело слишком громоздким. Чтобы найти сопротивления резисторов запишем уравнение дважды (для токов -10А и +10А):
Напряжения нам известны:
Задав R4 равным 20 кОм, получаем систему из двух уравнений, где переменными являются R2 и R3. Решение системы можно легко найти с помощью математических пакетов, например MathCAD (файл расчетов приложен к статье).
Аналогичным образом рассчитывается и вторая цепь, состоящая из IC3:A и IC3:B. В ней сигнал с датчика сначала проходит через повторитель IC3:A, а затем попадает на делитель на резисторах R5, R6, P5. После ослабления сигнала, он дополнительно смещается операционным усилителем IC3:B.
Описание работы микроконтроллера
Микроконтроллер ATmega8A выполняет обработку сигналов с ОУ и вывод результатов на дисплей. Он тактируется от внутреннего генератора на 8 МГц. Фьюзы стандартные, за исключением CKSEL. В PonyProg они выставляются так:
АЦП сконфигурирован на работу с частотой 125 кГц (коэффициент деления равен 64). По окончании преобразования АЦП вызывается обработчик прерывания. В нем запоминается максимальное значение тока, а также суммируются квадраты токов последовательных выборок. Как только число выборок доходит до 5000, микроконтроллер вычисляет RMS значение тока и выводит данные на дисплей. Затем переменные обнуляются и все происходит с начала. На схеме указан дисплей WH0802A, но можно использовать любой другой дисплей с контроллером HD44780.
Прошивка микроконтроллера, проект для CodeVision AVR и файл симуляции в Proteus приложены к статье.
Настройка схемы
Настройка устройства сводится к регулировке подстроечных резисторов. Сначала нужно настроить контрастность дисплея, вращая P1.
Затем, переключившись кнопкой S1 в режим до 10А, настраиваем P2 и P3. Выкручиваем один из резисторов максимально вправо и, вращая второй резистор, добиваемся нулевых показаний прибора. Пробуем измерить ток, величина которого точно известна, при этом показания амперметра должны получиться ниже, чем есть на самом деле. Подкручиваем оба резистора немного влево, так чтобы сохранилась нулевая точка, и опять измеряем ток. На этот раз показания должны стать чуть больше. Продолжаем это до тех пор, пока не добьемся точного отображения величины тока.
Теперь переключимся в режим до 50А и настроим его. Резистором P4 выставляем ноль на дисплее. Измеряем какой-либо ток и смотрим на показания. Если амперметр завышает их, то крутим P5 влево если занижает, то крутим вправо. Опять выставляем ноль, проверяем показания при заданном токе и так далее.
Фото устройства
Измерение постоянного тока:
Из-за недостаточно точной калибровки, значения немного завышаются.
Измерение переменного тока частотой 50 Гц, в качестве нагрузки используется утюг:
В теории среднеквадратичный ток синусоиды равняется 0.707 от максимального, но, судя по показаниям, этот коэффициент равен 0.742. После проверки формы напряжения в сети, выяснилось что оно лишь напоминает синусоиду. Учитывая это, такие показания прибора выглядят вполне достоверными.
У прибора все же есть недостаток. На выходе датчика постоянно присутствуют шумы. Проходя через ОУ, они попадают на микроконтроллер, в результате чего невозможно добиться идеального нуля (вместо нуля отображается примерно 30-40 мА RMS). Это можно исправить, увеличив емкость C7, но тогда ухудшатся частотные характеристики: на высоких частотах показания будут занижаться.
Использованные источники
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1 | МК AVR 8-бит | ATmega8A | 1 | DIP-28 | В блокнот | |
| IC2, IC3 | Операционный усилитель | MCP6002 | 2 | SOIC-8 | В блокнот | |
| IC4 | Линейный регулятор | L78L05 | 1 | В блокнот | ||
| IC5 | Датчик Холла | SS494B | 1 | В блокнот | ||
| C1-C7 | Конденсатор | 100 нФ | 9 | К10-17б | В блокнот | |
| R1, R3, R6, R9 | Резистор | 10 кОм | 4 | SMD 1206 | В блокнот | |
| R2 | Резистор | 12 кОм | 1 | SMD 1206 | В блокнот | |
| R4 | Резистор | 20 кОм | 1 | SMD 1206 | В блокнот | |
| R5 | Резистор | 6.8 кОм | 1 | SMD 1206 | В блокнот | |
| R7, R8 | Резистор | 100 кОм | 2 | SMD 1206 | В блокнот | |
| P1 | Подстроечный резистор | 10 кОм | 1 | 3362P | В блокнот | |
| P2 | Подстроечный резистор | 4.7 кОм | 1 | 3362P |
Хочу представить вашему вниманию модернизированную версию для лабораторного блока питания. Добавилась возможность отключать нагрузку при превышении определенного установленного заранее тока. Прошивку улучшенного вольтамперметра можно .
Схема цифрового измерителя тока и напряжения
В схему так же добавилось несколько деталей. С органов управления - одна кнопка и переменный резистор номиналом от 10 килоом до 47 килоом. Его сопротивление не критично для схемы, и как видно может варьироваться в довольно широких пределах. Немножко изменился и внешний вид на экране. Добавил отображение мощности и ампер*часов.
Переменная тока отключения сохраняется в EEPROM. По этому после выключения не нужно будет все настраивать заново. Для того, чтоб зайти в меню установки тока нужно нажать на кнопку. Поворачивая ручкой переменного резистора надо установить ток, при котором произойдет отключение реле. Оно подключено через ключ на транзисторе к выводу PB5 микроконтроллера Atmega8 .
В момент отключения на дисплее высветиться надпись о том, что максимальный установленный ток был превышен. После нажатия на кнопку мы перейдем снова в меню установки максимального тока. Нужно еще раз нажать на кнопку, чтоб перейти в режим измерения. На выход PB5 микроконтроллера подастся лог 1 и при этом включится реле. Такое слежение за током имеет и свои минусы. Защита не сможет сработать мгновенно. Срабатывание может занять несколько десятков миллисекунд. Для большинства подопытных устройств данный недостаток не критичен. Для человека эта задержка не видна. Все происходит сразу. Новая печатная плата не разрабатывалась. Кто захочет повторить устройство может немного подредактировать печатную плату от предыдущего варианта. Изменения будут не значительны.
