Измеритель напряжения и тока. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Измерительная техника

 Комментарии к статье

Один из основных приборов в лаборатории радиолюбителя - регулируемый источник питания. Для повышения оперативности и удобства работы его полезно дополнить встроенным измерителем выходного напряжения и тока нагрузки. Описания таких измерителей довольно часто встречаются в Интернете и радиолюбительских журналах. Но бывает, что найденное описание не подходит для создания измерителя, подходящего для встраивания в конкретный источник питания. Ведь приходится учитывать много факторов, например, располагаемое место для его установки, наличие необходимых деталей. В предлагаемой статье представлен вариант измерителя, который может пригодиться и тем, кто разрабатывает лабораторный блок питания "с нуля", и тем, кто предполагает встроить его в уже готовый блок питания.

Прибор измеряет постоянное напряжение от 0 до 51,1 В с дискретностью 0,1 В и постоянный ток от 0 до 5,11 А с дискретностью 0,01 А. Его прототипом послужил измеритель, описанный в [1], довольно простой по схеме и имеющий неплохие параметры. Основная реализованная в нем идея использовать недорогой микроконтроллер заслуживает внимания. Однако необходимость использовать ОУ, способный работать при однополярном питании при близком к нулю выходном напряжении, а также наличие дополнительного источника питания накладывают некоторые ограничения на его применение. К тому же индикаторы на плате прототипа расположены неудобно, лучше установить их в ряд по горизонтали и сократить размеры передней панели измерителя, приблизив их к габаритам использованных индикаторов.

Принципиальная схема измерителя представлена на рис. 1. Поскольку найти примененные в [1] микросхемы 74HC595N (сдвиговые регистры с регистром хранения) не удалось, использованы микросхемы 74HC164N, в которых регистр хранения отсутствует. Также применены индикаторы, обладающие гораздо более высокой яркостью при малом токе, что позволило уменьшить потребляемый измерителем ток до 20 мА и отказаться от дополнительного стабилизатора напряжения +5 В.

Рис. 1. Принципиальная схема измерителя (нажмите для увеличения)

К сожалению, использование 74НС164N имеет недостаток - паразитное свечение элементов индикатора в моменты обновления их состояния. Но поскольку средняя яркость такого свечения незначительна и его дополнительно ослабляют светофильтры, которыми обычно закрывают индикаторы, это нельзя считать серьезным недостатком. К тому же освобождается один из выводов микроконтроллера, который можно использовать, например, для подключения датчика температуры. При этом, правда, придется внести изменения в программу микроконтроллера.

Измеряемое напряжение подают на вход GP0 микроконтроллера DD1 через делитель из резисторов R7 и R9. Конденсатор C6 улучшает стабильность показаний вольтметра [1]. Сигнал с датчика тока (резистора R1) поступает на вход GP1 микроконтроллера через инвертирующий усилитель на ОУ DA1. В отличие от [1], здесь используется двухполярное питание ОУ напряжением +/-8 В, поскольку далеко не все ОУ обладают свойством "rail to rail" и корректно работают при однополярном питании и почти нулевом напряжении на выходе. Двухполярное же питание позволяет легко решить эту проблему, допускает применение ОУ очень многих типов.

Поскольку напряжение на выходе ОУ может находиться в интервале от -8 до +8 В, для защиты входа микроконтроллера от перегрузки применена ограничительная цепь R10VD9. Подстроечным резистором R8 регулируют коэффициент усиления, а подстроечным резистором R11 устанавливают нулевое напряжение на выходе ОУ. Диоды VD1 и VD2 защищают вход ОУ от перегрузки в случае обрыва датчика тока.

Благодаря сравнительно малому сопротивлению датчика тока уход результата измерения напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до максимального (5,11 А) не превышает 0,06 В. Если измеритель встраивают в источник напряжения отрицательной полярности, датчик тока можно включить перед выходным делителем напряжения его стабилизатора. При этом падение напряжения на датчике тока будет компенсировано цепью обратной связи стабилизатора. Поскольку ток делителя обычно невелик, на показания амперметра он влияния почти не окажет, к тому же это влияние можно скомпенсировать подстрочным резистором R11.

Питают измеритель выходным напряжением выпрямителя блока питания через преобразователь на транзисторах VT1 и VT2. Это несколько сложнее, чем в [1], так как требует изготовления импульсного трансформатора, зато нет проблем с получением всех требуемых номиналов напряжения. Преобразователь напряжения представляет собой простейший двухтактный автогенератор, схема которого позаимствована из [2]. Частота преобразования - около 80 кГц.

Благодаря гальванической развязке между входом и выходом преобразователя измеритель можно встроить в стабилизатор напряжения любой полярности. С указанными на схеме транзисторами он работоспособен при входном напряжении от 30 до 44 В, при этом выходные напряжения изменяются приблизительно от 8 до 12 В. Благодаря тому что сопротивления резисторов R5 и R6 выбраны довольно большими, преобразователь не боится замыканий выходов. В таких случаях генерация просто срывается.

Напряжение 5 В для питания цифровой части измерителя получено с помощью интегрального стабилизатора DA2. Стабилизировать напряжения питания ОУ не требуется, поскольку сам он достаточно устойчив к его изменениям. Напряжение пульсаций с частотой преобразования подавляют RC-фильтры на входах микроконтроллера DD1. Если же слишком велики пульсации с частотой 100 Гц, рекомендуется воспользоваться способом их снижения, описанным в [3].

Здесь стоит сказать несколько слов о присущей всем цифровым измерителям нестабильности младшего разряда результата измерения. Он всегда хаотически изменяется на единицу вокруг истинного значения. Эти флюктуации не являются следствием неисправности прибора, но их нельзя устранить полностью, можно лишь уменьшить, усредняя результаты большого числа измерений.

Детали измерителя смонтированы на трех печатных платах из фольгированного с одной стороны изоляционного материала. Рассчитаны они на установку микросхем в корпусах DIP. На одной плате (рис. 2) смонтированы индикаторы, на второй (рис. 3) - цифровые микросхемы и микроконтроллер. Преобразователь, стабилизатор напряжения питания микроконтроллера и усилитель сигнала датчика тока установлены на третьей плате (рис. 4).

Рис. 2. Печатная плата, на которой смонтированы индикаторы

Рис. 3. Печатная плата, на которой смонтированы цифровые микросхемы и микроконтроллер

Рис. 4. Печатная плата, на которой смонтированы преобразователь, стабилизатор напряжения питания микроконтроллера и усилитель сигнала датчика тока

Размещение деталей на платах и межплатные соединения показаны на рис. 5. Красными цифрами на нем обозначены номера выводов импульсного трансформатора T1 у мест их подключения к плате. Сам трансформатор закреплен на ней хомутами из изолированного монтажного провода. Блокировочные конденсаторы C13 и C14 припаяны непосредственно к выводам питания микросхем DD2 и DD3. Как показала практика, измеритель нормально работает и без этих конденсаторов.

Рис. 5. Размещение деталей на платах и межплатные соединения (нажмите для увеличения)

Платы микроконтроллера и индикаторов соединены кронштейнами из оцинкованной стали толщиной 0,5 мм. Плата преобразователя и усилителя закреплена двумя винтами М2. Расстояние между платами - около 11 мм. Такой вариант конструкции прибора (рис. 6) занимает меньше места на лицевой панели блока питания, в которую этот прибор должен быть встроен.

Рис. 6. Монтаж прибора

Вместо ОУ КР140УД708 можно применить, например, КР140УД1408 и множество ОУ других типов.

Следует отметить, что они могут требовать иных цепей коррекции, чем КР140УД708.

Это следует учесть при проектировании печатной платы.

Вместо сдвиговых регистров 74НС164 можно использовать 74НС4015, но придется изменить топологию печатных проводников платы. Диоды КД522Б можно заменить на КД510А. Подстроечные резисторы R8 и R11 - СП3-19, R9 - импортный. Постоянные конденсаторы также импортные.

Резистор R1 (датчик тока) можно изготовить из нихромового провода или применить готовый, как это сделано в [1]. Я сделал его из отрезка нихромовой ленты сечением 2,5х0,8 мм и длиной (с учетом залуженных концов) около 25 мм, извлеченной из теплового реле ТРН. Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце типоразмера 10х6х3мм, извлеченном из неисправной КЛЛ. Все обмотки намотаны проводом ПЭВ-2 диаметром 0,18 мм. Обмотка 2-3 содержит 83 витка, обмотки 1 -2 и 4-5 - по 13 витков, а обмотка 6-7-8 -

80 витков с отводом от середины. Если выходное напряжение выпрямителя меньше 30 В, число витков обмотки 2-3 придется уменьшить из расчета приблизительно 4 витка на вольт.

Между собой обмотки 1 -2-3 и 4-5 изолированы одним слоем конденсаторной бумаги толщиной 0,1 мм, а от обмотки 6-7-8 - двумя слоями такой бумаги. После проверки работоспособности трансформатор пропитан лаком ХВ-784.

Программа микроконтроллера написана в среде MPLAB IDE v8.92 на языке ассемблера MPASM. Предлагаются два ее варианта. Файлы первого варианта находятся в папке "Общ. катод" и предназначены для прибора со светодиодными индикаторами с общими катодами разрядов, в том числе теми, что указаны на схеме рис. 1. Файлы второго варианта из папки "Общ. анод" следует использовать при установке в прибор светодиодных индикаторов с общими анодами разрядов. Однако на практике этот вариант программы не испытан. Программирование микроконтроллера было выполнено с помощью программы IC-prog и простого устройства, описанного в [4].

Налаживание измерителя заключается в установке подстроечным резистором R11 нуля на выходе ОУ DA1 при отсутствии тока в измеряемой цепи. Затем в эту цепь подают ток, близкий к пределу измерения, но меньше его.

Контролируя ток образцовым амперметром, подстроечным резистором R8 добиваются равенства показаний образцового и налаживаемого приборов.

Подав и контролируя образцовым вольтметром измеряемое напряжение, устанавливают соответствующие показания на индикаторе прибора подстроечным резистором R9. Подробнее о налаживании написано в [1].

Оба варианта программы микроконтроллера можно скачать с ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/05/av-meter.zip.

Литература

1. Балаев Б. Встраиваемый измеритель тока и напряжения на PIC12F675. - Радио, 2014, № 12, с. 18-20.
2. Янгалиев Н. Блок питания на основе преобразователя напряжения для питания галогенных ламп. - Радио, 2005, № 5, с. 36, 37.
3. Лоскутов И. Как уменьшить пульсации блока питания. - Радио, 1996, № 4, с. 54.
4. Сизов А. Программирование современных PIC16, PIC12 на PonyProg. - Радио, 2004, № 2, с. 31, 32.

Автор: Е. Герасимов

Смотрите другие статьи раздела Измерительная техника.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Не вся растительная пища полезна для психики 10.09.2026

Растительная пища традиционно считается одной из основ здорового рациона, поэтому специалисты по питанию обычно рекомендуют чаще включать в меню овощи, фрукты, цельнозерновые продукты и другие продукты растительного происхождения. Однако важна не только принадлежность пищи к растительной категории, но и способ ее обработки, количество сахара и другие характеристики рациона. Исследование иранских ученых показывает, что разные варианты растительного питания могут по-разному отражаться на психологическом состоянии человека. К такому выводу пришли исследователи из Исфаханского университета медицинских наук. Они изучали взаимосвязь между характером питания и эмоциональным состоянием взрослых людей, уделяя особое внимание симптомам депрессии и тревожности. Результаты работы были опубликованы в научном журнале PLOS One. При этом специалисты не утверждали, что отдельные продукты непосредственно вызывают депрессию: речь шла о статистической связи между определенными пищевыми привычками и сос ...>>

Подвесной робот Stringman для уборки комнаты 10.09.2026

Домашняя робототехника в основном развивается вокруг двух привычных направлений: роботов-пылесосов и многофункциональных гуманоидных машин. Но далеко не все задачи требуют колесной платформы или сложного человекоподобного механизма. Инженер Натаниэль Нифонг (Nathaniel Nifong), основатель стартапа Newfangled, предложил необычную альтернативу - подвесного робота Stringman, способного перемещаться над полом и самостоятельно собирать разбросанные предметы. Вместо того чтобы передвигаться по поверхности помещения, Stringman использует принцип, знакомый по тросовым системам камер Spidercam, применяемым на стадионах. В четырех верхних углах комнаты устанавливаются натяжные блоки, от которых к центральному рабочему модулю идут тонкие, но прочные тросы. Изменяя их натяжение, система может перемещать манипулятор практически в любую точку обслуживаемого пространства. Такое решение позволяет обойти некоторые ограничения традиционных роботов на колесах. Подвесной механизм не сталкивается с пр ...>>

Микрогравитация не ослабляет сердечные клетки 09.09.2026

Продолжительное пребывание в космосе подвергает человеческий организм воздействию условий, с которыми он никогда не сталкивается на Земле. Микрогравитация изменяет распределение жидкостей, способствует потере костной и мышечной массы, а космическое излучение способно повреждать ДНК. Особое значение для будущих длительных экспедиций имеет состояние сердечно-сосудистой системы. Новый эксперимент с мышами на борту Международной космической станции показал, что клетки сердечной мышцы могут сохранять силу сокращения даже после нескольких недель пребывания в микрогравитации. Исследователи давно наблюдают за тем, каким образом отсутствие привычной земной гравитационной нагрузки отражается на организме. В космосе жидкости перераспределяются в сторону верхней части тела, позвоночник немного растягивается, из-за чего рост временно увеличивается, а скелетные мышцы постепенно теряют массу и силу. Однако сердечная мышца работает в несколько иных условиях, поэтому специалисты Чикагского университ ...>>

Случайная новость из Архива Робот сортирует мух 21.06.2015 Много лет ученые используют мух-дрозофил в различных исследованиях. Достаточно простой организм мух является идеальным материалом для генетических экспериментов. Однако перед исследованиями фруктовые мухи требуют тщательной сортировки, что является довольно-таки утомительной задачей. Поэтому ученые из Стэнфордского университета (США) построили робота, на который они переложили этот нелегкий труд. Чтобы "увидеть" дрозофилу, робот включает инфракрасный свет, который отражается от грудной клетки мухи и тем самым делает ее заметной для камеры. Затем выбранная дрозофила берется с помощью крошечной пневмотрубки. Робот способен хватать мух гораздо быстрее и точнее человека - он обрабатывает более 1000 дрозофил за 10-часовую рабочую "смену". Устройство выполняет анализ физических атрибутов каждой дрозофилы, сортирует их по полу и даже способно препарировать их крошечный мозг. В дальнейшем ученые планируют обучить прецизионного робота самостоятельному проведению экспериментов на плодовых мухах, освободив от этого аспирантов и стажеров.

Другие интересные новости:

▪ Обнаружен уникальный двойной астероид

▪ Full HD-телевизоры не выдержали проверки

▪ Революционное открытие для производства пива

▪ Автобусы на топливных элементах от Toyota

▪ Автомобили Volkswagen с проецированием информации на дорогу

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Синтезаторы частоты. Подборка статей

▪ статья Поставить крест. Крылатое выражение

▪ статья Где находится самый большой учебник? Подробный ответ

▪ статья Инструктор-методист по физической культуре и спорту. Должностная инструкция

▪ статья Металлоискатели категории FD (Frequency Domain). Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Непальские пословицы и поговорки. Большая подборка

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026