Вимірювання напруги практично доводиться виконувати досить часто. Напруга вимірюють у радіотехнічних, електротехнічних пристроях та ланцюгах тощо. Вид змінного струму може бути імпульсним або синусоїдальним. Джерелами напруги є або генератори струму.

Напруга імпульсного струму має параметри амплітудної та середньої напруги. Джерелами такої напруги можуть бути генератори імпульсні. Напруга вимірюється у вольтах, має позначення "В" або "V". Якщо змінна напруга, то попереду ставиться символ « ~ », для постійної напругивказується символ "-". Змінну напругу в домашній побутовій мережі маркують ~220 В.

Це прилади, призначені для вимірювання та контролю характеристик електричних сигналів. Осцилографи працюють на принципі відхилення електронного променя, що видає зображення значень змінних величин на дисплеї.

Вимірювання напруги в мережі змінного струму

Згідно з нормативними документами величина напруги в побутовій мережі повинна бути рівною 220 вольт з точністю відхилень 10%, тобто напруга може змінюватися в інтервалі 198-242 вольта. Якщо у вашому будинку освітлення стало більш тьмяним, лампи стали часто виходити з ладу, або побутові пристроїстали працювати нестабільно, то для з'ясування та усунення цих проблем для початку необхідний вимір напруги в мережі.

Перед виміром слід підготувати наявний у вас вимірювальний прилад до роботи:

• Перевірити цілісність ізоляції контрольних проводів із щупами та наконечниками.
• Встановити перемикач на змінну напругу з верхньою межею 250 вольт або вище.
• Вставити наконечники контрольних проводів у гнізда вимірювального приладу, наприклад . Щоб не помилитись, краще дивитися на позначення гнізд на корпусі.
• Увімкнути прилад.

З малюнка видно, що на тестері вибрано межу вимірів 300 вольт, а на мультиметрі 700 вольт. Деякі прилади вимагають для вимірювання напруги встановлювати у потрібне положення кілька різних перемикачів: вид струму, вид вимірювань, а також вставити наконечники дротів певні гнізда. Кінець чорного наконечника в мультиметрі встромлять у гніздо СОМ (загальне гніздо), червоний наконечник вставлений у гніздо з позначенням «V». Це гніздо є загальним вимірювання будь-якого виду напруги. Гніздо з маркуванням ma застосовується для вимірів невеликих струмів. Гніздо з позначенням "10 А" служить для вимірювання значної величини струму, який може досягти 10 ампер.

Якщо вимірювати напругу із вставленим дротом у гніздо «10 А», то прилад вийде з ладу, або згорить запобіжник. Тому під час виконання вимірювальних робіт слід бути уважним. Найчастіше помилки виникають у випадках, коли спочатку вимірювали опір, а потім, забувши переключити інший режим, починають вимірювання напруги. При цьому всередині приладу згоряє резистор, який відповідає за вимірювання опору.

Після підготовки приладу можна починати вимірювання. Якщо при включенні мультиметра на індикаторі нічого не з'являється, це означає, що елемент живлення, розташований усередині приладу, відслужив свій термін та потребує заміни. Найчастіше в мультиметрах стоїть "Крона", що видає напругу 9 вольт. Термін її служби складає близько року залежно від виробника. Якщо мультиметр довго не користувалися, то крона все одно може бути несправною. Якщо батарейка справна, мультиметр повинен показати одиницю.

Щупи дротів необхідно вставити в розетку або доторкнутися ними до оголених дротів.

На дисплеї мультиметра відразу з'явиться величина напруги в цифровому вигляді. На стрілочному пристрої стрілка відхилиться на деякий кут. Стрілецький тестер має кілька градуйованих шкал. Якщо їх уважно розглянути, все стає зрозумілим. Кожна шкала призначена для певних вимірювань: струму, напруги чи опору.

Межа вимірювань на приладі була виставлена ​​на 300 вольт, тому потрібно відраховувати за другою шкалою, що має межу 3, при цьому показання приладу необхідно помножити на 100. Шкала має ціну поділу, що дорівнює 0,1 вольта, тому отримуємо результат, зображений на малюнку, 235 вольт. Цей результат перебуває у допустимих межах. Якщо при вимірюванні показання приладу постійно змінюються, можливо, поганий контакт у з'єднаннях електричної проводки, що може призвести до іскріння та несправностей у мережі.

Вимірювання постійної напруги

Джерелами постійної напруги є акумулятори, низьковольтні батареї або батарейки, напруга яких не більше 24 вольт. Тому дотик до полюсів батареї не є небезпечним, і немає необхідності в спеціальних заходах безпеки.

Для оцінки працездатності батарейки або іншого джерела, необхідно вимірювати напругу на його полюсах. У пальчикових батарей полюси живлення розташовані на торцях корпусу. Позитивний полюс маркується "+".

Постійний струм вимірюється аналогічно, як і змінний. Відмінність полягає лише у налаштуванні приладу на відповідний режим та дотриманні полярності висновків.

Напруга батареї зазвичай позначено на корпусі. Але результат виміру ще не говорить про справність батарейки, тому що при цьому вимірюється електрорушійна силабатарейки. Тривалість експлуатації приладу, в якому буде встановлено елемент живлення, залежить від його ємності.

Для точної оцінки працездатності батареї необхідно проводити вимірювання напруги при підключеному навантаженні. Для пальчикової батареїяк навантаження підійде звичайна лампочка для ліхтарика на 1,5 вольта. Якщо напруга при включеній лампочці знижується незначно, тобто не більше, ніж на 15%, отже, батарейка придатна для роботи. Якщо напруга падає значно сильніше, то така батарейка може ще послужити тільки в настінному годиннику, який витрачає дуже мало енергії.

. Струмабо силу струмувизначають кількістю електронів, що проходять через точку чи елемент схеми протягом однієї секунди. Так, наприклад, через нитку розжарювання лампи розжарювання кишенькового ліхтаря щомиті проходить близько 2 000 000 000 000 000 000 (два трильйони) електронів. Однак на практиці вимірюється не кількість електронів, а їх рух, виражений у амперах(А).

Ампер– це одиниця електричного струму, яку так назвали на честь французького фізика та математика А. Ампера, що вивчав взаємодію провідників зі струмом. Експериментально встановлено, що при струмі 1А через точку або елемент схеми проходить близько 6 250 000 000 000 000 000 електронів.

Крім ампера застосовують і дрібніші одиниці сили струму: міліампер(мA), рівний 0,001 А, та мікроампер(мкA), що дорівнює 0,000001 А або 0,001 мА. Отже: 1 А = 1000 мА = 1000000 мкА.

1. Прилад вимірювання сили струму.

Як і напруга, струм буває постійнийі змінний. Прилади, що служать для вимірювання струму, називають амперметрами, міліамперметрамиі мікроамперметрами. Так само, як і вольтметри, амперметри бувають стрілочнимиі цифровими.

На електричних схемах прилади позначаються кружком та буквою всередині: А(амперметр), мА(міліамперметр) та мкА(Мікроамперметр). Поряд з умовним позначенням амперметра вказується його літерне позначення. РА» та порядковий номер у схемі. Наприклад. Якщо амперметрів у схемі буде два, то близько першого пишуть РА1», а біля другого « РА2».

Для вимірювання струму амперметр вмикається безпосередньо в ланцюг послідовно із навантаженням, тобто в розрив ланцюга навантаження. Таким чином, на час вимірювання амперметр стає ще одним елементом електричного ланцюга, через який протікає струм, але при цьому в схему амперметр ніяких змін не вносить. На малюнку нижче зображено схему включення міліамперметра в ланцюг живлення лампи розжарювання.

Також треба пам'ятати, що амперметри випускаються на різні діапазони (шкали), і якщо при вимірюванні використовувати прилад з меншим діапазоном по відношенню до величини, що вимірюється, то прилад можна пошкодити. Наприклад. Діапазон вимірювання міліамперметра становить 0...300 мА, отже, силу струму вимірюють тільки в цих межах, тому що при вимірюванні струму понад 300 мА прилад вийде з ладу.

2. Вимірювання сили струму мультиметром.

Вимірювання сили струму мультиметром практично нічим не відрізняється від вимірювання звичайним амперметром або міліамперметром. Різниця полягає лише в тому, що у звичайного приладу всього один діапазон вимірювання, розрахований на певну максимальну величину струму, тоді як у мультиметра діапазонів кілька, і перед виміром доводиться визначати яким діапазон користуватися в даний момент.

Звичайні мультиметри, не професійні, розраховані на вимір постійного струмуі мають чотири піддіапазони, що на побутовому рівні цілком достатньо. Кожен піддіапазон має свою максимальну межу вимірювання, яка позначена цифровим значенням: 2m, 20m, 200m, 10А. Наприклад. На межі " 20mможна вимірювати постійний струм в діапазоні 0 ... 20 мА.

Наприклад виміряємо струм, споживаний звичайним світлодіодом. Для цього зберемо схему, що складається з джерела напруги (пальчикової батареї) GB1та світлодіода VD1, а у розрив ланцюга включимо мультиметр РА1. Але перед включенням мультиметра до схеми підготуємо його до проведення вимірювань.

Вимірювальні щупи вставляємо в гнізда мультиметра, як показано на малюнку:

червонийщуп називають плюсовим, і вставляється він у гніздо, навпроти якого зображені значки вимірюваних параметрів: « VΩmA»;
чорнийщуп є мінусовимабо загальнимі вставляється він у гніздо, навпроти якого написано « СОМ». Щодо цього щупа виробляються всі виміри.

У секторі вимірювання постійного струму вибираємо межу 2m», Діапазон вимірювання якого становить 0 ... 2 мА. Підключаємо щупи мультиметра згідно зі схемою і потім подаємо живлення. Світлодіод спалахнув, і його споживання струму склало 1,74 мА. Ось, у принципі, і весь процес виміру.

Однак цей варіант виміру підходить тоді, коли величина споживання струму відома. Насправді ж часто виникає ситуація, коли необхідно виміряти струм на якійсь ділянці ланцюга, величина якого невідома або відома приблизно. У такому випадку вимір починають із найвищої межі.

Припустимо, що споживання струму світлодіодом невідоме. Тоді перемикач переводимо на межу 200m», який відповідає діапазону 0 ... 200 мА, і після цього щупи мультиметра вмикаємо в ланцюг.

Потім подаємо напругу і дивимося показання мультиметра. В даному випадку показання струму склали 01,8 », що означає 1,8 мА. Однак нулик попереду вказує на те, що можна знизитися на межу. 20m».

Вимикаємо живлення. Перекладаємо перемикач на межу « 20m». Включаємо живлення і знову вимірюємо. Показання становили 1,89 мА.

Часто буває ситуація, коли при вимірі струму чи напруги на індикаторі з'являється одиниця. Одиниця говорить про те, що обрано низьку межу вимірювання і він менший за величину вимірюваного параметра. У цьому випадку необхідно перейти на межу вище.

Також може виникнути момент, коли струм, що вимірюється, вище 200 мА і необхідно перейти на межу вимірювання. 10А». Однак тут є нюанс, який слід запам'ятати. Крім того, що перемикач переводиться на межу. 10А», ще також необхідно переставити плюсовий (червоний) щуп в крайнє ліве гніздо, навпроти якого стоїть цифро-літерне значення «10А», що вказує на те, що це гніздо призначене для вимірювання великих струмів.

І ще порада. Візьміть за правило: коли закінчите всі виміри на межі « 10А» відразу ж переставляйте плюсовий (червоний) щуп на своє штатне місце. Цим Ви збережете собі нерви, щупи та мультиметр.

Ну ось, в принципі і все, що хотів сказати про вимірювання струму мультиметром. Головне розуміти, що при вольтметрі підключається паралельно навантаженнюабо джерелу напруги, тоді як при вимірі сили струму амперметр включається безпосередньо в ланцюгі крізь нього протікає струм, яким живляться елементи схеми.

Ну і як закріплення прочитаного пропоную подивитися відеоролик, в якому на прикладі схем розповідається про вимірювання напруги і сили струму мультиметром.

Вимірювання постійних струмів найчастіше проводиться магнітоелектричними гальванометрами, мікроамперметрами, міліамперметрами та амперметрами, основною частиною яких є магнітоелектричний вимірювальний механізм (вимірювач). Пристрій однієї з найпоширеніших конструкцій стрілочного вимірювача показано на рис. 1. Вимірювач містить підковоподібний магніт 1. У повітряному зазорі між його полюсними наконечниками 2 і нерухомим циліндричним сердечником 5, виконаними з магнітно-м'якого матеріалу, створюється рівномірне магнітне поле, лінії індукції якого перпендикулярні поверхні сердечника. У цьому зазорі поміщається рамка 4, намотана тонким ізольованим мідним проводом (діаметром 0,02...0,2 мм) на легкому паперовому або алюмінієвому каркасі прямокутної форми. Рамка може повертатися разом із віссю 6 і стрілкою 10, кінець якої переміщається над шкалою. Плоскі спіральні пружини 5 служать для створення моменту, що протидіє повороту рамки, а також підведення струму до рамки. Одна пружина закріплена між віссю та корпусом. Друга пружина одним кінцем прикріплена до осі, а іншим - до важеля коректора 7, вилка якого охоплює ексцентричний стрижень 8 гвинта. Противаги 9 служать для врівноваження рухомої частини вимірювача з метою стабілізації положення стрілки при зміні положення приладу.

Мал. 1. Влаштування магнітоелектричного вимірювального механізму.

Вимірюваний струм, проходячи витками рамки, взаємодіє з магнітним полем постійного магніту. Створюваний при цьому крутний момент, напрям якого визначається відомим правилом лівої руки, викликає поворот рамки на такий кут, при якому він врівноважується протидіючим моментом, що виникає при закручуванні пружин 5. Завдяки рівномірності постійного магнітного поля в повітряному зазорі крутний момент, а отже, і кут відхилення стрілки виявляються пропорційними струму, що протікає через рамку. Тому магнітоелектричні прилади мають рівномірні шкали. Інші величини, що впливають на значення моменту, що обертає магнітна індукція в повітряному зазорі, число витків і площа рамки - залишаються постійними і в сукупності з силою пружності пружин визначають чутливість вимірювача.

При повороті рамки в її алюмінієвому каркасі індукуються струми, взаємодія яких із полем постійного магніту створює гальмівний момент, що швидко заспокоює рухому частину вимірювача (час заспокоєння не перевищує 3 с).

Вимірювачі характеризуються трьома електричними параметрами: а) струмом повного відхилення Іі, що викликає відхилення стрілки до кінця шкали; б) напругою повного відхилення Uі, тобто напругою на рамці вимірювача, що створює в її ланцюгу струм Iі; в) внутрішнім опором Rі, який є опором рамки. Ці параметри взаємопов'язані законом Ома:

У радіовимірювальних приладах застосовують різні типимагнітоелектричних вимірювачів, струм повного відхилення яких зазвичай лежить у межах 10...1000 мкА. Вимірювачі, у яких струм повного відхилення вбирається у 50-100 мкА, вважаються високочутливими.

Деякі вимірювачі забезпечуються магнітним шунтом у вигляді сталевої пластинки, яку можна наближати до торцевих поверхонь полюсних наконечників та магніту або видаляти від них. При цьому відповідно зменшуватися або зростатиме в невеликих межах струм повного відхилення I, внаслідок зміни магнітного потоку, що впливає на рамку, через відгалуження частини повного магнітного потоку через шунт.

Напруга повного відхилення Uі більшості вимірювачів лежить у межах 30-300 мВ. Опір рамки Rі залежить від периметра рамки, числа витків та діаметра дроту. Чим чутливіший вимірювач, тим більше витків з тоншого дроту має його рамка і тим більший її опір. Підвищення чутливості вимірювачів досягається застосуванням більш потужних магнітів, безкаркасних рамок, пружин з малим протидіючим моментом і підвіскою рухомої частини на розтяжках (двох тонких нитках).

У чутливих вимірювачах з безкаркасними рамками стрілка, відхиляючись під дією струму, що проходить по рамці, здійснює ряд коливань, перш ніж зупинитися в положенні рівноваги. Для зменшення часу заспокоєння стрілки рамку шунтують резистором з опором тисяч або сотень Ом. Роль останнього іноді виконує електрична схемаприладу, увімкнена паралельно рамці.

Вимірники з рухомими рамками дозволяють одержати кут повного відхилення стрілки до 90-100 °. Малогабаритні вимірювачі іноді виконуються з нерухомою рамкою та рухомим магнітом, укріпленим на одній осі зі стрілкою. У цьому вдається збільшити кут повного відхилення стрілки до 240°.

Особливо чутливі вимірювачі, що служать для вимірювань дуже малих струмів (менше 0,01 мкА) та напруги (менше 1 мкВ), називаються гальванометрами. Вони часто застосовуються як нуль-індикатори (індикатори відсутності в ланцюгу струму або напруги) при вимірюваннях методами порівняння. За способом відліку розрізняють гальванометри стрілочні та дзеркальні; в останніх відлікова ризик на шкалі створюється за допомогою світлового променя і дзеркальця, укріпленого на рухомій частині приладу.

Магнітоелектричні вимірювачі придатні для вимірювання тільки на постійному струмі. Зміна напрямку струму в рамці наводьте зміну напрямку крутного моменту і відхилення стрілки в зворотний бік. При включенні вимірювача в ланцюг змінного струму з частотою до 5-7 Гц стрілка безперервно коливатиметься близько нуля шкали з цією частотою. При більшій частоті струму рухома система внаслідок своєї інерційності не встигає йти за змінами струму і стрілка залишається в нульовому положенні. Якщо через вимірювач протікає пульсуючий струм, відхилення стрілки визначається постійною складовою цього струму. Щоб виключити тремтіння стрілки, вимірювач шунтують конденсатором великої ємності.

Вимірювачі, призначені для роботи в ланцюзі постійного струму, напрям якого незмінно, мають односторонню шкалу, одним з кінців якої служить нульовий поділ. Для отримання правильного відхилення стрілки необхідно, щоб струм протікав через рамку у напрямку від затиску з позначенням "+" до затиску з позначенням "-". Вимірювачі, призначені для роботи в ланцюгах постійного струму, напрямок якого може змінюватися, забезпечують двосторонню шкалу, нульовий поділ якої зазвичай розташовується посередині; при протіканні струму в приладі від затискача "+" до затискача "-" стрілка відхиляється праворуч.

Магнітоелектричні вимірювачі витримують короткочасне навантаження, що досягає 10-кратного значення струму Iі, і 3-кратне тривале навантаження. Вони не чутливі до зовнішніх магнітних полів (через наявність сильного внутрішнього магнітного поля), споживають невелику потужність при вимірюваннях і можуть бути виконані всіх класів точності.

Для вимірювань на змінному струмімагнітоелектричні вимірювачі застосовують спільно з напівпровідниковими, електронними, фотоелектричними або термоперетворювачами; разом вони утворюють відповідно випрямні, електронні, фотоелектричні або термоелектричні прилади.

У вимірювальних приладах іноді використовують електромагнітні, електродинамічні та феродинаміческіе вимірювачі, які придатні для безпосереднього вимірювання як постійних струмів, так і середньоквадратичних значень змінних струмів, що мають частоту до 2,5 кГц. Однак вимірювачі цих типів значно поступаються магнітоелектричним щодо чутливості, точності та споживаної при вимірюваннях потужності. Крім того, вони мають нерівномірну шкалу, стиснуту в початковій частині, і чутливі до впливу зовнішніх магнітних полів, для ослаблення яких доводиться використовувати магнітні екрани та ускладнювати конструкцію приладів.

Визначення електричних параметрів магнітоелектричних вимірювачів

При використанні як вимірювача магнітоелектричного приладу вимірювального механізму невідомого типупараметри останнього - струм повного відхилення Iі та внутрішній опір Rі - доводиться визначати дослідним шляхом.

Мал. 2. Схеми вимірювання електричних параметрів магнітоелектричних вимірників

Опір рамки Rі можна приблизно заміряти омметром, що має необхідну межу вимірювань. При перевірці високочутливих вимірювачів потрібно бути обережними, оскільки великий струм омметра може їх пошкодити. Якщо використовується багатограничний батарейний омметр, то вимір слід починати з найбільш високоомного межі, при якому струм у ланцюзі живлення омметра найменший. Перехід інші межі допускається лише тому випадку, якщо це викликає зашкалювання стрілки вимірювача.

Досить точно, параметри вимірювача можуть бути визначені за схемою на рис. 2, а. Схему живлять від джерела постійної напруги через резистор R1, службовець для обмеження струму в ланцюгу. Реостатом R2 домагаються відхилення стрілки вимірювача на всю шкалу. При цьому значення струму Iі відраховують за зразковим (опорним) мікроамперметром (міліамперметром) μА (При налагодженні, повірці та градуюванні засобів вимірювань у разі відсутності зразкових приладів та заходів застосовують робочі прилади та заходи вищого класу точності, ніж випробувані; такі прилади називати опорними). Потім паралельно вимірювачеві підключають опорний магазин опорів Rо, зміною опору якого домагаються зменшення струму через вимірювач рівно вдвічі порівняно зі струмом в загальному ланцюзі. Це буде мати місце при опорі Rо = Rі. Замість магазину опорів можна застосувати будь-який змінний резистор з подальшим виміром опору Rо = Rі за допомогою омметра або моста постійного струму. Можливе також включення паралельно вимірювачеві нерегульованого резистора з відомим опором R, бажано близьким до передбачуваного опору Rі; тоді значення останнього визначається за формулою

Rі = (I/I1 - 1) * R,

де I і I1 - струми, що відраховуються відповідно до приладів μA та І.

Якщо вимірювач має рівномірну шкалу, що містить αп поділів, то можна застосувати схему, наведену на рис. 2, б. Потрібні параметри вимірювача обчислюються за формулами:

Iі = U/(R1+R2) * αп/α1; Rі = (α2 * R2)/(α1-α2) - R1

де U - напруга живлення, що відраховується по вольтметру V, α1 і α2 - відліки за шкалою вимірювача при встановленні перемикача відповідно до положень 1 і 2, a R1 і R2 - відомі опори резисторів, які беруться приблизно однакових номіналів. Похибка вимірювань тим менша, чим ближче відлік α1 до кінця шкали, що досягається відповідним вибором опору

Магнітоелектричні міліамперметри та амперметри

Магнітоелектричні вимірювачі при безпосередньому включенні в електричні ланцюги можуть бути застосовані лише як мікроамперметри постійного струму з межею вимірювання, рівним струму повного відхилення Iі. Для розширення межі вимірювання вимірювач І включають ланцюг ланцюга паралельно шунту - резистору малого опору Rш (рис. 3); при цьому через вимірювач протікатиме лише частина вимірюваного струму і тим менша, чим менше опір Rш порівняно з опором вимірювача Rі. При радіоелектронних вимірах максимально потрібна межа виміру постійних струмів рідко перевищує 1000 мА (1 А).

При вибраному граничному значенні вимірюваного струму Iп через вимірювач повинен протікати струм повного відхилення Iі; це буде мати місце під час опору шунта

Rш = Rі: (Iп/Iі - 1). (1)

Наприклад, при необхідності розширення межі вимірювань мікроамперметра типу М260, що має параметри Iп = 0,2 мА та Rі = 900 Ом, до значення Iп = 20 мА необхідно застосувати шунт опором Rш = 900/(100-1) = 9,09 Ом.

Мал. 3. Схема градуювання магнітоелектричного міліамперметра (амперметра)

Шунти до міліамперметрів виготовляються з манганинового або константанового дроту. Завдяки високому питому опору матеріалу розміри шунтів виходять невеликими, що дозволяє включати їх безпосередньо між затискачами приладу всередині або зовні його кожуха. Якщо відомо значення струму Iп (в амперах), то діаметр дроту шунта d (у міліметрах) вибирають із умови

d >= 0,92 I п 0,5 , (2)

при виконанні якого густина струму в шунті не перевищує 1,5 А/мм 2 . Наприклад, шунт міліамперметра з межею вимірювання Iп = 20 мА повинен виготовлятися із дроту діаметром 0,13 мм.

Підібравши дріт відповідного діаметра d (у міліметрах), довжина його (в метрах), необхідна виготовлення шунта опором Rш (в омах), наближено перебуває за формулою

L = (1,5 ... 1,9) d 2 * Rш (3)

і точно підганяється при включенні приладу за схемою на рис. 3 послідовно з опорним міліамперметром mА.

Шунти великі струми (до амперметрам) зазвичай виготовляються з листового манганіну. Для виключення впливу перехідних опорів контактів та опорів з'єднувальних провідників такі шунти мають чотири затискачі (рис. 4, а). Зовнішні масивні затискачі називаються струмовими і служать для включення шунта в ланцюг вимірюваного струму. Внутрішні затискачі називаються потенційними та призначені для підключення вимірювача. Подібна конструкція також унеможливлює пошкодження вимірювача великим струмом при випадковому відключенні шунта.

Для зменшення температурної похибки вимірювань, що викликається різною залежністю від температури опорів рамки вимірювача та шунта, послідовно з вимірювачем включають резистор манганину Rк (рис. 4, б); похибка знижується в стільки разів, скільки збільшується опір ланцюга вимірювача. Ще кращі результати досягаються при включенні терморезистора Rк з негативним коефіцієнтом температурного опору. При розрахунку приладу з температурною компенсацією під опором Rі у розрахункових формулах слід розуміти сумарний опір вимірювача та резистора Rк.

Мал. 4. Схеми включення шунта на великі струми (а) та елемента температурної компенсації (б)

З урахуванням впливу шунта внутрішній опір міліамперметра (амперметра)

Rма = RіRш/(Rі+Rш). (4)

Для забезпечення досить високої точності в широкому діапазоні струмів, що вимірюваються, прилад повинен мати кілька меж вимірювань; це досягається застосуванням ряду шунтів, що перемикаються, розрахованих на різні значення граничного струму Iп.

Перехідним множником шкали N називають відношення верхніх граничних значень двох суміжних меж вимірювань. При N = 10, як, наприклад, у чотириграничному міліамперметрі з межами 1, 10, 100 і 1000 мА, шкала приладу, виконана для однієї з меж (1 мА), може бути легко застосована для вимірювання струмів на інших межах за допомогою множення відліку на відповідний множник 10, 100 або 1000. При цьому діапазон вимірювань буде досягати 90% діапазону показань, що призведе до помітного зростання похибки вимірювання значень струмів, яким відповідають відліки на початкових ділянках шкал.

Мал. 5. Шкали багатограничних магнітоелектричних міліамперметрів

З метою підвищення точності вимірювань у деяких приладах граничні значення вимірюваних струмів вибирають із ряду чисел 1, 5, 20, 100, 500 і т. д., застосовуючи для відліку загальну шкалу з кількома рядами числових відміток (рис. 5, а). Іноді граничні значення вибирають із ряду чисел 1, 3, 10, 30, 100 і т. д., що дозволяє виключити відлік по першій третині шкали; проте при цьому шкала повинна мати два ряди відміток, проградуйованих у значеннях, кратних відповідно 3 та 10 (рис. 5, б).

Перемикання шунтів, необхідне переходу від однієї межі вимірів до іншого, може здійснюватися за допомогою перемикача при використанні на всіх межах загальних вхідних затискачів (рис. 6) або за допомогою системи розрізних гнізд, половинки яких замикаються між собою металевим штепселем вимірювального шнура (рис. 7). ). Особливістю схем на рис. 6 б і 7 б є те, що до складу шунта кожної межі вимірювань входять резистори шунтів інших, менш чутливих меж.

Мал. 6. Схеми багатограничних міліамперметрів із перемикачами меж вимірювань.

При перемиканні під струмом межі вимірювань приладу можливе пошкодження вимірювача, якщо він виявиться короткочасним без шунта в ланцюг вимірюваного струму. Щоб уникнути цього, конструкція перемикачів (рис. 6) повинна забезпечувати перехід з одного контакту на інший без розриву ланцюга. Відповідно, конструкція розрізних гнізд (рис. 7) повинна дозволяти штепселю вимірювального шнура при включенні спочатку замикатися з шунтом, а потім з ланцюгом вимірювача.

Мал. 7. Схеми багатограничних міліамперметрів зі штепсельно-гніздовою комутацією меж вимірювань.

З метою запобігання вимірника від небезпечних перевантажень паралельно йому іноді ставлять кнопку Кн з контактом, що розмикає (рис. 7, б); вимірювач включається до схеми лише при натиснутій кнопці. Ефективним способомзахисту чутливих вимірювачів є шунтування їх (у прямому напрямку) спеціально підібраними напівпровідниковими діодами; при цьому, однак, можливе порушення рівномірності шкали.

У порівнянні з приладами, що мають шунти, що перемикаються, більш надійними в роботі є багатограничні прилади з універсальними шунтами. Універсальний шунт є групою послідовно з'єднаних резисторів, що утворюють разом з вимірником замкнутий ланцюг (рис. 8). Для підключення до досліджуваного ланцюга використовується загальний мінусовий затискач і затискач, з'єднаний з одним із відводів шунта. При цьому утворюються дві паралельні гілки. Наприклад, при встановленні перемикача У положення 2 (рис. 8, а) в одну гілка входять резистори діючої ділянки шунта, що має опір Rш.д = Rш2 + Rш3, в другій гілки послідовно з вимірювачем включений резистор Rш1. Опір Rш.д повинен бути таким, щоб при граничному вимірюваному струмі Iп через вимірювач протікав струм повного відхилення Iі. У загальному випадку

Rш.д = (Rш + Rі) (Iі/Iп). (5)

де Rш = Rш1 + Rш2 + Rш3 + ... є повний опір шунта.

Універсальний шунт в цілому виконує функцію шунта, що діє, на межі 1, якому відповідає найменше граничне значення вимірюваного струму Iп1; його опір можна підрахувати за такою формулою (1). Якщо вибрано межі вимірювань Iп2 = N12*Iп1; Iп3 = N23 * Iп2; Iп4 = N34*Iп3 і т.д., то опори окремих ділянок шунта визначаться виразами:

Rш2 + Rш3 + RШ4 + ... = Rш/N12;

Rш3 + Rш4 + ... = Rш / (N12 * N23);

Rш4 + ... = Rш/(N12*N23*N34) і т. д. Різниця опорів з двох суміжних рівностей дозволяє визначити опори окремих компонентів шунта Rш1, Rш2, Rш3 і т.д.

Мал. 8. Схеми багатограничних міліамперметрів із універсальними шунтами

З наведених вище виразів видно, що перехідні множники N12, N23, N34 і т.д. Тому один і той же універсальний шунт, приєднаний паралельно різним вимірювачам, змінюватиме їх межі в однакове число разів; при цьому вихідна межа вимірювань визначиться формулою

Iп1 = Iі*(Rі/Rш + 1). (6)

Зі схем на рис. 8 видно, що в приладах з універсальними шунтами межі вимірів можуть вибиратися як за допомогою перемикачів, так і гнізд звичайного типу. Порушення контакту в цих схемах є безпечним для вимірювача. Якщо приблизне значення струму невідоме, то перед підключенням багатограничного приладу до досліджуваного ланцюга слід встановлювати найбільшу верхню межу вимірювань,

Градуювання магнітоелектричних міліамперметрів та амперметрів

Градуювання вимірювального приладу полягає у визначенні його градуювальної характеристики, тобто залежності між значеннями вимірюваної величини та показаннями відлікового пристрою, вираженої у вигляді таблиці, графіка або формули. Практично градуювання стрілочного приладу завершується нанесенням на його шкалу поділів, що відповідають певним чисельним значенням вимірюваної величини.

Для магнітоелектричних приладів, що мають рівномірні шкали, основним завданням градуювання є встановлення відповідності кінцевого поділу шкали граничному значенню вимірюваної величини, що може бути виконано за допомогою схеми, подібної до рис. 3. Градований прилад підключається до затискачів 1 і 2. Реостатом R в ланцюгу, що живиться джерелом постійного струму, встановлюють по опорному приладі mА граничне значення струму Iп і відзначають точку шкали, до якої відхиляється стрілка вимірювача І. Якщо прилад, що градує, має один . за кінцеву точку шкали може бути прийнято будь-яку точку поблизу упору, що обмежує переміщення стрілки. У багатограничних приладах з кратними шкалами такий довільний вибір кінця шкали можна робити лише на одній межі, яка приймається за вихідний.

Якщо стрілка при струмі Iп не знаходиться на кінцевому розподілі шкали, необхідне регулювання приладу. В однограничних приладах або на вихідній межі багатограничного приладу це регулювання може бути здійснено за допомогою магнітного шунта. За відсутності останнього регулювання здійснюють припасування опорів шунтів. Якщо при струмі Iп стрілка не досягає кінцевого поділу, то опір шунта Rш слід збільшити; при зашкалюванні стрілки опір шунта зменшують.

При градуюванні багатограничних приладів, що працюють за схемами, наведеними на рис. 6, б, 7, б і 8, припасування шунтів повинна проводитися в певному порядку, починаючи з опору шунта Rш, що відповідає найбільшому граничному струму Iп3; потім послідовно підганяють опори шунтів Rш2 і Rш1. При перемиканні меж може знадобитися заміна опорного приладу, верхня межа вимірювань якого в усіх випадках повинна дорівнювати або дещо перевищувати граничне значення шкали, що градує.

Знаючи положення початкового та кінцевого поділів рівномірної шкали, легко визначити положення всіх проміжних поділів. Слід, однак, враховувати, що в деяких магнітоелектричних приладів внаслідок конструктивних недоліків або особливостей вимірювальної схеми може бути точної пропорційності між кутовим переміщенням стрілки і вимірюваним струмом. Тому бажано перевірити градуювання шкали в декількох проміжних точках, змінюючи струм реостатом R. Резистор R служить для обмеження струму в ланцюзі.

Градуювання повинне виконуватися за повністю зібраного приладу, що знаходиться в нормальних робочих умовах. Отримані опорні крапки наносяться на поверхню шкали гостро відточеним олівцем (при знятому з кожуха вимірника скла) або фіксуються за відмітками наявної шкали приладу. Якщо стара шкала вимірювача непридатна, то виготовляється нова шкала із щільного гладкого паперу, що наклеюється на місце старої шкали клеєм, стійким до вогкості. Положення нової шкали має суворо відповідати положенню, яке займає стара шкала під час градуювання приладу. Хороші результати досягаються при кресленні шкали чорною тушшю у збільшеному масштабі з подальшим виготовленням її фотокопії необхідного розміру.

Розглянуті вище загальні принципиградуювання придатні до стрілочних вимірювальних приладів різного призначення.

Особливості вимірювання постійних струмів

Для вимірювання струму прилад (наприклад, міліамперметр) включають послідовно досліджуваний ланцюг; це призводить до зростання загального опору ланцюга і зменшення струму, що протікає в ній. Ступінь цього зменшення оцінюється (у відсотках) коефіцієнтом впливу міліамперметра

Вма = 100 * Rма / (Rма + Rц),

де Rц є загальний опір ланцюга між точками підключення приладу (наприклад, затискачами 1 та 2 на схемі рис. 3).

Помножуючи чисельник і знаменник правої частини формули на значення струму в ланцюзі I і враховуючи, що I * Rма є падіння напруги на міліамперметрі Uма, а I (Rма + Rц) дорівнює е.р.с. Е, що діє в досліджуваній схемі, отримуємо

Вма = 100 * Uма/Е.

У складному (розгалуженому) ланцюгу під е. д. с. Е потрібно розуміти напругу холостого ходу між точками розриву ланцюга, до яких повинен підключатися прилад.

Граничним значенням напруги Uма є падіння напруги на приладі Uп, що викликає відхилення його стрілки до кінцевої позначки шкали. Отже, гранично можливе значення коефіцієнта впливу під час використання даного приладу

Bп = 100Uп/E. (7)

З наведених формул випливає, що менше е. д. с. Е, тим сильніше впливає прилад на струм, що вимірюється. Наприклад, якщо Uп/E = 0,1, то Вп = 10%, тобто включення приладу може викликати зменшення струму ланцюга на 10%; при Uп/E = 0,01 зменшення струму вбирається у 1%. Тому при вимірюванні струму розжарення радіоламп або емітерного струму транзисторів слід очікувати значно більшої зміни струму в ланцюзі, ніж при вимірюванні анодних, екранних або колекторних струмів. Очевидно також, що при однакових межах вимірювань менший вплив на струм, що вимірюється, надає прилад, що характеризується меншим значенням напруги Uп. У багатограничних міліамперметрах з шунтами (рис. 6 і 7) на всіх межах вимірювань максимальне падіння напруги на приладі однаково і дорівнює напрузі повного відхилення вимірювача, тобто Uп = Uі = Iі/Rі, а потужність, споживана приладом, обмежується значенням

Рп = IіUі = Iп * Iі * Ri. У міліамперметрах з універсальними шунтами (рис. 8) падіння напруги на приладі дорівнює Iі*Iі лише на вихідній межі 1. На інших межах воно зростає до значення Uп ≈ Iі*(Rп + Rш) (при збільшенні споживаної приладом потужності (Rі + Rш)/Rі раз), оскільки є сумою падінь напруги на вимірнику і включеному послідовно з ним ділянці шунта. Отже, прилад з універсальним шунтом за інших рівних умов сильніше впливає на режим досліджуваних ланцюгів, ніж прилад з шунтами, що перемикаються.

Якщо взяти повний опір універсального шунта Rш >> Rі, то нижча межа міліамперметра буде близька до Iі, проте на інших межах падіння напруги на приладі може виявитися надмірно великим. Якщо взяти опір Rш невеликим, то зросте найменший граничний струм Iп1 приладу. Тому в кожному конкретному випадку необхідно вирішувати питання про допустиме значенняопору шунта Rш.

При включенні магнітоелектричного приладу в ланцюг пульсуючого або імпульсного струму з метою вимірювання постійної складової цього струму необхідно паралельно приладу приєднати конденсатор великої ємності, що має для змінної складової струму опір, значно менше внутрішнього опору приладу Rма. З метою усунення впливу ємності приладу щодо корпусу досліджуваної установки місце включення приладу високочастотні ланцюга вибирають таким чином, щоб один з його затискачів безпосередньо або через конденсатор великої ємності з'єднувався з корпусом.

У деяких випадках різні ланцюги досліджуваного радіоелектронного пристроювключають постійні шунти, що дозволяє за допомогою того самого магнітоелектричного вимірювача по черзі контролювати струми в цих ланцюгах без їх розриву.

Завдання 1. Розрахувати схему міліамперметра з універсальним шунтом (рис. 8) на три межі вимірів: 0,2; 2 і 20 мА при перехідному множнику N = 10. Вимірювач приладу - мікроамперметр типу М94 - має дані: Iі = 150 мкА = 0,15 мА, Rі = 850 Ом, Uі = Iі / Rі = 0,128 В. Для кожної межі знайти падіння напруги на приладі при граничному струмі, а також максимально можливий вплив приладу на струм, що вимірюється, якщо в ланцюгу останнього діє е. д. с. Е = 20 ст.

1. На межі 1 (Iп1 = 0,2 мА) шунтом до вимірювача є універсальний шунт загалом. Повний опіростаннього, визначений за формулою (1), Rш = 2550 Ом.

Падіння напруги на приладі при граничному струмі Uп1 = Uі = 0,128 В. Гранично можливий коефіцієнт впливу міліамперметра Вп1 = (Uп1/E) * 100 = 0,64%.

2. Для межі 2 (Iп2 = 2 мА) опір ділянки шунтуючого універсального шунта Rш2+ Rш3 = Rш/N = 255 Ом. Отже, опір Rш1 = Rш - (Rш2 + Rш3) = 2295 Ом.

Граничне падіння напруги на приладі Uп2 = Iі/(Rі + Rш1) = 0,727 В. Граничний коефіцієнт впливу Вп2 = 100 * Uп2/E = 3,63%.

3. Для межі 3 (Iп3 = 20 мА) Rш3 = Rш/N2 = 25,5 Ом; Rш2 = 255-25,5 = 229,5 Ом; Uп3 = Iп * (Rі + Rш1 + Rш2) = 0,761; Вп3 = 100 * п3/Е = 3,80%.

Завдання 2. Розрахувати схему міліамперметра з універсальним шунтом на три межі вимірів: 5, 50 та 500 мА. Вимірювач приладу – мікроамперметр типу М260М – має дані: Iі = 500 мкА, Rі = 150 Ом. Визначити вплив приладу на струм, що вимірювається, якщо вимірювання на межах 5 і 50 мА проводяться в ланцюгах, в яких діють е. д. с. не менше 200 В, а на межі 500 мА - в ланцюгу розжарення радіолампи, що живиться від батареї з е.р.с. 6 Ст.

Відповідь: 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%.

Відповідь: 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.

Транзисторні мікроамперметри постійного струму

При необхідності вимірювання дуже малих струмів, значно менших струму повного відхилення Іі наявного магнітоелектричного вимірювача, останній застосовують спільно з підсилювачем постійного струму. Найбільш простими та економічними є підсилювачі на біполярних транзисторах. Посилення струму можна домогтися при включенні транзисторів за схемами із загальним емітером і загальним колектором, однак перша схема краще, оскільки вона забезпечує менший вхідний опір підсилювача.

Мал. 9. Схеми однотранзисторних мікроамперметрів постійного струму

Найпростіша схема однотранзисторного мікроамперметра, що живиться від джерела з е.р.с. Е = 1,5...4,5, показана на рис. 9, а суцільними лініями. Струмом бази Iб є струм, що вимірювається, при деякому номінальному значенні якого Iн в ланцюгу колектора протікає струм Iк, рівний струму повного відхилення Iі вимірювача І. Статичний коефіцієнт передачі струму Вст = Iк/Iб = Iі/Iн, звідки номінальний вимірюваний струм Iн = Iі/ Bст. Наприклад, при використанні транзистора типу ГТ115А, що має Вст = 60, та вимірювача типу М261 зі струмом Iі = 500 мкА номінальний струм Iн = 500/60 ≈ 8,3 мкА. Оскільки залежність між струмами Iк і Iб близька до лінійної, шкала вимірювача, проградуйована у значеннях вимірюваного струму, буде майже рівномірною (за винятком невеликої початкової ділянки шкали до 10% її довжини). Увімкненням спеціально підібраного шунта між вхідними затискачами можна підвищити граничний струм, що вимірюється, до зручного для розрахунків значення (наприклад, до 10 мкА).

У реальних схемах транзисторних мікроамперметрів вживають заходів, спрямованих до стабілізації режиму роботи та корекції можливих його відхилень. Насамперед неприпустимо (особливо при підвищеній напрузі живлення) розмикання ланцюга бази транзистора, яке може мати місце у процесі вимірювань. Тому основу з'єднують з емітером через резистор невеликого опору чи, як і показано штриховою лінією на рис. 9 а, з негативним полюсом джерела за допомогою резистора Rб з опором порядку сотень кілоом. В останньому випадку до бази підводиться напруга усунення, яке задає режим роботи підсилювача. Потім з метою припасування необхідного номінального струму (припустимо, 10 мкА для наведеного вище прикладу) паралельно вимірювачеві (або послідовно з ним) включають підстроювальний резистор Rш = (2...5) Rі.

Слід врахувати, що за відсутності вимірюваного струму через вимірювач протікатиме початковий струм колектора Iк.н, що досягає 5-20 мкА і обумовлений наявністю некерованого зворотного струму колектора Iк.о та струму в ланцюзі базового резистора Rб. Дія струму Iк.н можна компенсувати встановленням стрілки вимірювача на нуль механічним коректором приладу. Однак раціональніше перед початком вимірювань проводити електричну установку нуля, наприклад, за допомогою допоміжного елемента живлення Е0 і реостата R0 = (5...10) Rі, створюючи в ланцюзі вимірювача компенсаційний струм I0, рівний за значенням, але зворотний напрямок струму Iк. н. Замість двох джерел живлення можна застосувати один (рис. 9, б), увімкнувши паралельно йому дільник напруги з двох резисторів R1 і R2 з опорами порядку сотнем. При цьому утворюється схема моста постійного струму (див. Мостовий метод вимірювання електричних опорів), який врівноважується зміною опору одного з плечей (R0).

Необхідність ускладнення вихідної схеми однотранзисторного підсилювача призводить до того, що коефіцієнт посилення струму

Ki = Uі/Iн (8)

виявляється менше коефіцієнта передачі струму Вст використовуваного транзистора. Більше того, надійну роботу транзисторного мікроамперметра вдається забезпечити лише за умови вибору Ki<< Вст.

Як відомо, параметри транзистора суттєво залежать від температури довкілля. Зміна останньої призводить до мимовільних коливань (дрейфу) зворотного струму колектора Iк.о, який у германієвих транзисторах зростає майже 2 рази на кожні 10 К підвищення температури. Це викликає помітну зміну коефіцієнта посилення струму Кi і вхідного опору підсилювача, що може призвести до повного порушення градуювальної характеристики приладу. Слід також враховувати і спостерігається з часом незворотна зміна параметрів («старіння») транзисторів, що створює необхідність у періодичній перевірці та корекції градуювальної характеристики транзисторного приладу.

Якщо зміна струму Iк.о можна певною мірою компенсувати установкою нуля перед початком вимірювань, то стабілізації коефіцієнта посилення Ki доводиться вживати спеціальні заходи. Так, зміщення на базу (рис. 9 б) подають за допомогою дільника напруги з резисторів Rб1 і Rб2, причому в якості останнього іноді використовують термістор, що має негативний температурний коефіцієнт опору. Термістор можна замінити діодом Д, включеним паралельно резистору Rб1. З підвищенням температури зворотний опір діода зменшується, що призводить до такого перерозподілу напруги між електродами транзистора, яке протидіє зростанню струму колектора. У тому ж напрямі діє негативний зворотний зв'язок між колектором і базою, що з'являється завдяки підключенню до колектора (а не до мінуса живлення) виведення резистора Rб2. Найбільш ефективну дію негативний зворотний зв'язок, що виникає при включенні в ланцюг емітера резистора Rе.

Підвищення стійкості роботи підсилювача у вигляді застосування досить глибокої негативної зворотний зв'язок призводить до малому відношенню коефіцієнтів Ki/Bст. Тому отримання коефіцієнта посилення Ki, рівного кільком десяткам, доводиться підбирати для микроамперметра германієвий транзистор з високим коефіцієнтом передачі струму: Вст = 120...200.

У мікроамперметрах можливе застосування кремнієвих транзисторів, які в порівнянні з германієвими мають параметри, більш стабільні як у часі, так і щодо температурних впливів. Однак коефіцієнт Вст у кремнієвих транзисторів зазвичай невеликий. Підвищити його можна шляхом використання схеми складеного транзистора (рис. 9, в); останній має коефіцієнт передачі струму Вст приблизно рівний добутку відповідних коефіцієнтів складових його транзисторів, тобто Вст - Вст1 * Вст2. Однак зворотний струм колектора складеного транзистора:

Iк.о ≈ Iк.о2 + Bст2*Iк.о1

значно перевищує відповідні струми його компонентів і схильний до помітних температурних коливань, що призводить до необхідності стабілізації режиму підсилювача.

Високу стійкість роботи транзисторного мікроамперметра легше досягти при виконанні його підсилювача за балансною схемою з двома звичайними або складовими транзисторами, спеціально підібраними по ідентичності їх параметрів (у першу чергу - за приблизною рівності коефіцієнтів Вст і струмів Iк.о). Типова схема такого приладу з елементами стабілізації та корекції наведена на рис. 10. Оскільки початкові колекторні струми транзисторів приблизно однаковою мірою залежать від температури і напруги живлення, а через вимірювач вони протікають у протилежних напрямках, компенсуючи один одного, підвищуються стійкість нульового положення стрілки вимірювача і рівномірність його шкали. Глибокий негативний зворотний зв'язок, що забезпечується резисторами Rе і Rб.к, підвищує стабільність коефіцієнта посилення струму. Балансна схема підвищує також чутливість мікроамперметра, оскільки струм, що вимірювається, створює на вхідних електродах обох транзисторів потенціали різних знаків; в результаті внутрішній опір одного транзистора збільшується, а іншого - зменшується, що посилює розбаланс місця постійного струму, діагональ якого включений вимірювач І.

При налагодженні балансного мікроамперметра підстроювальним потенціометром Rк здійснюють зрівнювання потенціалів колекторів, що контролюється за відсутністю показань вимірювача при замкнених коротко вхідних затискачах. Установка нуля в процесі експлуатації проводиться потенціометром Rб за допомогою вирівнювання струмів баз при розімкнутих вхідних затискачах. Слід враховувати, що ці регулювання взаємозалежні і при налагодженні приладу їх необхідно кілька разів по черзі повторювати.

Мал. 10. Балансна схема транзисторного мікроамперметра

Вхідний опір мікроамперметра Rмка в основному визначається сумарним опором R = Rб1 + Rб2 + R6, що діє між базами транзисторів, і приблизно становить (0,8 ... 0,9) * R; його точне визначення, як і і номінального граничного струму Iн, доводиться здійснювати досвідченим шляхом. Підганяння необхідного значення номінального струму зручно проводити за допомогою ланцюжка, що шунтує, резисторів опір якого необхідно враховувати при визначенні вхідного опору Rмка.

Стабільність вхідного опору дозволяє проводити розширення межі вимірів у бік зниження чутливості з допомогою шунтів. Опір шунта, необхідне отримання граничного вимірюваного струму Iп,

Rш.п = Rмка*Iн/(Iп - Iн) = Rмка*Iі/(Ki*Iп - Iі) (9)

При зазначених на схемі чисельних даних та використанні транзисторів з Вст ≈ 150 балансний мікроамперметр має коефіцієнт посилення Ki ≈ 34 і за допомогою підстроювального резистора Rm може бути підігнаний під номінальний струм Iн = 10 мкА. При необхідності одержання номінального струму приблизно 1 мкА підсилювач доповнюється другим каскадом, який часто виконується за схемою емітерного повторювача, що полегшує узгодження вихідного опору підсилювача з малим опором вимірювача.

Що можна зробити на основі невеликого мікроконтролера Attiny13? Багато чого. Наприклад, вимірювач напруги, струму, температури, з виведенням результатів на дисплей типу HD44780. Так давайте і зберемо цей універсальний пристрій, який можна успішно використовувати як модуль в блоках живлення, зарядках, УМЗЧ і в тих місцях, де не потрібна дуже висока точність. Розмір плати всього 35 х 16 мм.

Схема вимірювача U, I, T на Attiny13

• Діапазон виміру напруги 0-99V з роздільною здатністю 0.1 V.
• Діапазон вимірювання струму 0-9.99А з роздільною здатністю 10 мА.
• Діапазон вимірювання температури 0-99C з роздільною здатністю 0.1C.
• Споживання струму самого вимірювача 35 мА.

Насамперед треба знати, в якому діапазоні напруги прилад працюватиме. Щоб це встановити, необхідно розрахувати дільник напруги. Наприклад, для отримання вимірювання 10 В дільник повинен становити 1/10 (ми множимо x 10 тому що напруга буде в 10 разів більше від базового 1 В), для 30 В буде 1/30 і так далі. Потім необхідно налаштувати програму для даного діапазону. Ці 30 В множимо по 640, а результат розділимо на 1023. Отримане число записується на початку програми, постійної напруги і треба скомпілювати програму (для діапазону 100 В, 8,2к).

Вимірювання струму також ми можемо налаштувати подібним чином, дати інший дільник, інший діапазон, і перерахувати, але не описуватиму цього. Тут немає аналогового калібрування температури, тому що воно видалося зовсім зайвим.

Коригуємо експериментально в програмі, за це відповідає константа const temp. Резистор 1К між масою та виходом датчика встановлює напругу, знизити її можна навіть до 100 Ом.

Як працює схема

До точок V і V+ на платі прикладено напругу, яку хочемо виміряти, до точки GND приєднуємося входом маси блоку живлення, а до точки В - вихід маси (вимір відбувається на масі). Між точками GND та V – приєднується шунт. Живлення вимірювача здійснюється від точки V і V+ через стабілізатор 7805. На платі є місце на стабілізатор у корпусі TO252, але з успіхом можна використовувати і більший стабілізатор 78L05 у корпусі TO92. Максимальна напруга, яку можна вказати для точки V і V+, для звичайної 7805 буде до 35В, для 78L05 буде, звичайно, менше, але не більше 30. Для того, щоб вимірювати більшу напругу, чіп необхідно поповнити окремо - на стороні друку, слід перервати шлях під потенціометром регулювання напруги, а живлення подати до точки А. Система працює з дисплеєм 16х1 з контролером HD44780 або 16х2.

Відео роботи вимірювача

При прошивці мікроконтролера необхідно встановити pin reset як звичайний pin (включити fusebit RSTDISBL). Перед виконанням цієї операції переконайтеся, що всі добре встановили, що після вимкнення скидається, і немає доступу до процесора звичайним програматором! Вихідники, а також вся решта документації та файли, розміщені

Прилад вимірює постійну напругу від 0 до 51,1 з дискретністю 0,1 і постійний струм від 0 до 5,11 з дискретністю 0,01 А Його прототипом послужив вимірювач, описаний в , досить простий за схемою і має непогані параметри. Основна реалізована в ньому ідея використовувати недорогий мікроконтролер заслуговує на увагу. Однак необхідність використовувати ОУ, здатний працювати при однополярному живленні при близькій до нуля вихідній напрузі, а також наявність додаткового джерела живлення накладають деякі обмеження його застосування.

Цифровий вимірювач напруги та струму

До того ж індикатори на платі прототипу розташовані незручно, краще встановити їх у ряд по горизонталі і скоротити розмір передньої панелі вимірювача, наблизивши їх до габаритів використаних індикаторів. Принципову схему вимірювача представлено на сайті www.сайт. Оскільки знайти застосовані мікросхеми 74HC595N (зсувні регістри з регістром зберігання) не вдалося, використані мікросхеми 74HC164N, в яких регістр зберігання відсутній. Також застосовані індикатори, що володіють набагато більш високою яскравістю при малому струмі, що дозволило зменшити струм, що споживається вимірювачем, до 20 мА і відмовитися від додаткового стабілізатора напруги +5 В.

Сигнал з датчика струму (резистора R1) надходить на вхід мікроконтролера GP1 через інвертуючий підсилювач на ОУ DA1. На відміну від (1J, тут використовується двополярне харчування ОУ напругою ±8 В, оскільки далеко не всі ОУ мають властивість rail to rail і коректно працюють при однополярному харчуванні і майже нульовому напрузі на виході. Двополярне ж харчування дозволяє легко вирішити цю проблему, допускає застосування ОУ дуже багатьох типів, оскільки напруга на виході ОУ може перебувати в інтервалі від 8 до 8 В. Для захисту входу мікроконтролера від перевантаження застосовано обмежувальний ланцюг R10VD9.

Підстроювальним резистором R8 регулюють коефіцієнт посилення, а підстроювальним резистором R11 встановлюють нульову напругу на виході ОУ. Діоди VD1 та VD2 захищають вхід ОУ від перевантаження у разі обриву датчика струму. Завдяки порівняно малому опору датчика струму догляд результату вимірювання напруги при зміні струму навантаження від нуля до максимального (5.11 А) не перевищує 0.06 В. Якщо вимірник вбудовують джерело напруги негативної полярності. датчик струму можна увімкнути перед вихідним дільником напруги його стабілізатор».

При цьому падіння напруги на датчику струму компенсується ланцюгом зворотного зв'язку стабілізатора. Оскільки струм дільника зазвичай невеликий, на показання амперметра він впливу майже не вплине, до того ж цей вплив можна компенсувати, підрядковим резистором R11. Живлять вимірювач вихідною напругою випрямляча блоку живлення через перетворювач на транзисторах VT1 і VT2. Це трохи складніше, ніж у , тому що вимагає виготовлення імпульсного трансформатора, зате немає проблем з отриманням усіх потрібних номіналів напруги. Перетворювач напруги є найпростішим двотактним автогенератором. схема якого запозичена з . Частота перетворення – близько 80 кГц.

Завдяки гальванічній розв'язці між входом та виходом перетворювача вимірювач можна вбудувати у стабілізатор напруги будь-якої полярності. З зазначеними на схемі транзисторами він працездатний при вхідній напрузі від 30 до 44 В. при цьому вихідні напруги змінюються приблизно від 8 до 12 В. Завдяки тому, що опори резисторів R5 і R6 обрані досить великими, перетворювач не боїться замикань виходів. У разі генерація просто зривається.

Напруга 5 для живлення цифрової частини вимірювача отримано за допомогою інтегрального стабілізатора DA2. Стабілізувати напруги живлення ОУ не потрібно, оскільки він досить стійкий до його змін. Напруга пульсацій із частотою перетворення пригнічують RC-фільтри на входах мікроконтролера DD1. Якщо ж занадто великі пульсації з частотою 100 Гц, рекомендується скористатися способом їх зниження, описаним в .

Він завжди хаотично змінюється на одиницю довкола справжнього значення. Ці флюктуації є наслідком несправності приладу, та їх не можна усунути повністю, можна лише зменшити, середня результати великої кількості вимірів. Деталі вимірювача змонтовані на трьох друкованих платах із фольгованого з одного боку ізоляційного матеріалу. Розраховані вони на встановлення мікросхем у корпусах DIP. На одній платі (рис. 2) змонтовані індикатори, на другій (рис. 3) – цифрові мікросхеми та мікроконтролер. Перетворювач, стабілізатор напруги живлення мікроконтролера та підсилювач сигналу датчика струму встановлені на третій платі (рис. 4).

Розміщення деталей на платах та міжплатні з'єднання показані на рис. 5. Червоними цифрами на ньому позначені номери висновків імпульсного трансформатора Т1 біля їх підключення до плати. Сам трансформатор закріплений на ній хомутами із ізольованого монтажного дроту. Блокувальні конденсатори С13 та С14 припаяні безпосередньо до висновків живлення мікросхем DD2 та DD3. Як показала практика, вимірювач нормально працює без цих конденсаторів.

Плати мікроконтролера та індикаторів з'єднані кронштейнами з оцинкованої сталі завтовшки 0.5 мм. Плата перетворювача та підсилювача закріплена двома гвинтами М2. Відстань між платами – близько 11 мм. Такий варіант конструкції приладу (мал. 6) займає менше місця на лицьовій панелі блока живлення, в яку цей пристрій має бути вбудований. Замість ОУ КР140УД708 можна застосувати, наприклад. КР140УД1408 і безліч ОУ інших типів Слід зазначити, що можуть вимагати інших ланцюгів корекції, ніж КР140УД708 Це слід врахувати під час проектування друкованої плати.

Замість зсувних регістрів 74НС164 можна використовувати 74НС4015, але доведеться змінити топологію друкованих провідників плати. Діоди КД522Б можна замінити на КД510А. Підстроювальні резистори R8 і R11 - СПЗ19. R9 – імпортний. Постійні конденсатори також є імпортними. Резистор R1 (датчик струму) можна виготовити з ніхромового дроту або застосувати готовий, як це зроблено в (1). Я зробив його з відрізка ніхромової стрічки перетином 2,5×0,8 мм і довжиною (з урахуванням залужених кінців) близько 25 мм, витягнутої з теплового реле ТРН.

Трансформатор Т1 намотаний на феритовому кільці типорозміру 10x6x3 мм, витягнутому з несправної КЛЛ. Всі обмотки намотані дротом ПЕВ-2 діаметром 0,18 мм. Обмотка 2-3 містить 83 витки, обмотки 1-2 і 4-5 - по 13 витків, а обмотка 6-7-8 80 витків з відведенням від середини. Якщо вихідна напруга випрямляча менше 30, число витків обмотки 2-3 доведеться зменшити з розрахунку приблизно 4 витка на вольт. Між собою обмотки 1-2-3 і 4-5 ізольовані одним шаром конденсаторного паперу товщиною 0,1 мм, а від обмотки 6-7-8 - двома шарами такого паперу. Після перевірки працездатності трансформатор просочений лаком ХВ-784.

Програма мікроконтролера написана серед MPLAB IDE v8.92 мовою асемблера MPASM. Пропонуються два її варіанти. Файли першого варіанта перебувають у папці «Общ. катод» та призначені для приладу зі світлодіодними індикаторами із загальними катодами розрядів, у тому числі тими, що вказані на схемі рис. 1. Файли другого варіанта із папки «Общ. анод» слід використовувати при встановленні в прилад світлодіодних індикаторів із загальними анодами розрядів. Однак на практиці цей варіант програми не випробуваний. Програмування мікроконтролера було виконано за допомогою програми IC-prog та простого пристрою, описаного у (4).

Налагодження вимірювача полягає в установці підстроювальним резистором R11 нуля на виході ОУ DA 1 за відсутності струму вимірюваного ланцюга. Потім у цей ланцюг подають струм. близький до межі виміру, але менший за його. Контролюючи струм зразковим амперметром, підстроювальним резистором R8 домагаються рівності показань зразкового і приладів, що налагоджується.Подав і контролюючи зразковим вольтметром вимірювана напруга, встановлюють відповідні показання на індикаторі приладу підстроювальним резистором. Докладніше про налагодження написано в (1).