Ένα απλό σπιτικό βολτόμετρο. Απλό αρθρωτό βολτόμετρο AC στο PIC16F676
N. OSTROUKHOV, Surgut
Το άρθρο περιγράφει ένα βολτόμετρο AC. Συναρμολογείται σε μικροελεγκτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αυτόνομη συσκευή μέτρησης ή ως ενσωματωμένο βολτόμετρο σε γεννήτρια χαμηλής συχνότητας.
Το προτεινόμενο βολτόμετρο έχει σχεδιαστεί για τη μέτρηση της ημιτονοειδούς συχνότητας τάσης AC από 1 Hz έως 800 kHz. Το μετρούμενο διάστημα τάσης είναι 0...3 V (ή 0...30 V με εξωτερικό διαιρέτη τάσης 1:10). Το αποτέλεσμα της μέτρησης εμφανίζεται σε μια τετραψήφια ένδειξη LED. Η ακρίβεια μέτρησης καθορίζεται από τις παραμέτρους του ενσωματωμένου ADC στον μικροελεγκτή και την πηγή τάσης αναφοράς και είναι ίση με 2 mV (για το διάστημα 0...3 V). Το βολτόμετρο τροφοδοτείται από μια σταθεροποιημένη πηγή τάσης 5 V και καταναλώνει ρεύμα 40 ... 65 mA, ανάλογα με τον δείκτη που χρησιμοποιείται και τη φωτεινότητα της λάμψης του. Το ρεύμα που καταναλώνεται από τον ενσωματωμένο μετατροπέα πολικότητας δεν υπερβαίνει τα 5 mA.
Η δομή της συσκευής (δείτε το διάγραμμα στο Σχ. 1) περιλαμβάνει έναν μετατροπέα AC-to-DC, έναν ενισχυτή DC buffer, ψηφιακό βολτόμετροκαι έναν μετατροπέα πολικότητας της τάσης τροφοδοσίας. Ο μετατροπέας AC σε DC συναρμολογείται σε έναν συγκριτή DA1, μια γεννήτρια παλμών στα στοιχεία DD1.1-DD1.4 και ένα τρανζίστορ μεταγωγής VT1. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στο έργο του. Ας υποθέσουμε ότι δεν υπάρχει σήμα στην είσοδο της συσκευής. Τότε η τάση στην είσοδο αναστροφής του συγκριτή DA1 είναι μηδέν και στη μη αναστρέφουσα είσοδο προσδιορίζεται από τον διαιρέτη τάσης R19R22 και, στις ονομαστικές τιμές που υποδεικνύονται στο διάγραμμα, είναι περίπου -80 mV. Στην έξοδο του συγκριτή σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει ένα χαμηλό επίπεδο που επιτρέπει τη λειτουργία της γεννήτριας παλμών. Η ιδιαιτερότητα της γεννήτριας είναι ότι με κάθε πτώση τάσης στην έξοδο του συγκριτή DA1, σχηματίζεται ένας παλμός στην έξοδο της γεννήτριας (ακίδα 8 του στοιχείου DD1.2). Εάν μέχρι να πέσει, η κατάσταση εξόδου του συγκριτή δεν αλλάξει, θα δημιουργηθεί ο επόμενος παλμός και ούτω καθεξής.
Η διάρκεια των παλμών εξαρτάται από τις ονομασίες των στοιχείων R16, C5 και είναι περίπου 0,5 μs. Σε χαμηλό επίπεδο τάσης στην έξοδο του στοιχείου DD1.2, ανοίγει το τρανζίστορ VT1. Οι τιμές των αντιστάσεων R17, R18 και R20 επιλέγονται έτσι ώστε ένα ρεύμα 10 mA να ρέει μέσω του ανοιχτού τρανζίστορ, το οποίο φορτίζει τους πυκνωτές C8 και C11. Κατά τη διάρκεια κάθε παλμού, αυτοί οι πυκνωτές φορτίζονται με κλάσματα του millivolt. Στη σταθερή κατάσταση, η τάση σε αυτά θα αυξηθεί από -80 mV στο μηδέν, η συχνότητα παλμού της γεννήτριας θα μειωθεί και οι παλμοί ρεύματος συλλέκτη του τρανζίστορ VT1 θα αντισταθμίσουν μόνο την αργή εκφόρτιση του πυκνωτή C11 μέσω της αντίστασης R22. Έτσι, λόγω της μικρής αρχικής αρνητικής μετατόπισης, ακόμη και απουσία σήματος εισόδου, ο μετατροπέας λειτουργεί κανονικά. Όταν εφαρμόζεται τάση εναλλασσόμενου ρεύματος εισόδου, λόγω αλλαγής του ρυθμού επανάληψης παλμών της γεννήτριας, η τάση στον πυκνωτή C11 αλλάζει ανάλογα με το πλάτος του σήματος εισόδου. LPF R21C12 λειαίνει τάση εξόδουμετατροπέας. Πρέπει να σημειωθεί ότι στην πραγματικότητα μετατρέπεται μόνο το θετικό μισό κύμα της τάσης εισόδου, οπότε εάν είναι ασύμμετρο περίπου μηδέν, θα προκύψει ένα επιπλέον σφάλμα.
Ο ενισχυτής buffer με συντελεστή μεταφοράς 1,2 συναρμολογείται στον op-amp DA3. Η δίοδος VD1 που είναι συνδεδεμένη στην έξοδό της προστατεύει τις εισόδους του μικροελεγκτή από την αρνητική τάση πολικότητας. Από την έξοδο του op-amp DA3 μέσω των ωμικών διαιρετών τάσης R1R2R3 και R4R5, παρέχεται σταθερή τάση στις γραμμές PC0 και PC1 του μικροελεγκτή DD2, οι οποίες έχουν διαμορφωθεί ως είσοδοι ADC. Οι πυκνωτές C1 και C2 καταστέλλουν επιπλέον παρεμβολές και παρεμβολές. Το πραγματικό ψηφιακό βολτόμετρο συναρμολογείται σε έναν μικροελεγκτή DD2, ο οποίος χρησιμοποιεί ένα ενσωματωμένο ADC 10-bit και μια εσωτερική πηγή τάσης αναφοράς 1,1 V.
Το πρόγραμμα για τον μικροελεγκτή γράφτηκε χρησιμοποιώντας το περιβάλλον BASCOM-AVR και επιτρέπει τη χρήση τριψήφιων ή τετραψήφιων ψηφιακών ενδείξεων LED με κοινή άνοδο ή κοινή κάθοδο και σας επιτρέπει να εμφανίσετε την τιμή ενεργού (για ημιτονοειδές σήμα) ή τιμή πλάτους της τάσης του σήματος εισόδου, καθώς και αλλαγή της φωτεινότητας της λάμψης του δείκτη Λογικό επίπεδο Το σήμα στη γραμμή PC3 καθορίζει τον τύπο του δείκτη που χρησιμοποιείται - με κοινή άνοδο (χαμηλή) ή με κοινή κάθοδο (υψηλή) και Γραμμή PC4 - ο αριθμός των ψηφίων του, τέσσερα για το χαμηλό και τρία για το υψηλό. Το πρόγραμμα στην αρχή της εργασίας διαβάζει μια φορά τα επίπεδα σήματος σε αυτές τις γραμμές και ρυθμίζει τον μικροελεγκτή ώστε να λειτουργεί με την αντίστοιχη ένδειξη. Για έναν τετραψήφιο δείκτη, το αποτέλεσμα της μέτρησης εμφανίζεται ως X.XXX (V), για έναν τριψήφιο δείκτη - XXX (mV) έως 1 V και X.XX (V) εάν η τάση είναι μεγαλύτερη από 1 V Όταν χρησιμοποιείτε έναν τριψήφιο δείκτη, οι έξοδοι των ψηφίων του συνδέονται όπως οι έξοδοι τριών ανώτερων ψηφίων του τετραψήφιου στην εικ. ένας.
Το επίπεδο σήματος στη γραμμή PC2 ελέγχει τον πολλαπλασιασμό του αποτελέσματος της μέτρησης με το 10, κάτι που είναι απαραίτητο όταν χρησιμοποιείτε εξωτερικό διαιρέτη τάσης 1:10. Σε χαμηλό επίπεδο, το αποτέλεσμα δεν πολλαπλασιάζεται.Το σήμα στη γραμμή PB6 ελέγχει τη φωτεινότητα της ένδειξης, ενώ σε υψηλό επίπεδο, μειώνεται. Η αλλαγή στη φωτεινότητα προκύπτει ως αποτέλεσμα της αλλαγής της αναλογίας μεταξύ του χρόνου πυράκτωσης και του χρόνου σβήσιμου του δείκτη σε κάθε κύκλο μέτρησης. Με τις σταθερές που έχουν οριστεί στο πρόγραμμα, η φωτεινότητα αλλάζει περίπου στο μισό. Η πραγματική τιμή της τάσης εισόδου εμφανίζεται όταν εφαρμόζεται υψηλό επίπεδο στη γραμμή PB7 και η τιμή πλάτους είναι χαμηλή. Το πρόγραμμα αναλύει τα επίπεδα σήματος στις γραμμές PC2, PB6 και PB7 σε κάθε κύκλο μέτρησης και επομένως μπορούν να αλλάξουν ανά πάσα στιγμή, για τα οποία είναι βολικό να χρησιμοποιείτε διακόπτες. Η διάρκεια ενός κύκλου μέτρησης είναι 1,1 s. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το ADC εκτελεί περίπου 1100 μετρήσεις, το μέγιστο επιλέγεται από αυτές και πολλαπλασιάζεται, εάν είναι απαραίτητο, με τον επιθυμητό συντελεστή.
Για μια σταθερή μετρούμενη τάση, μια μέτρηση για ολόκληρο τον κύκλο θα ήταν αρκετή και για μια εναλλασσόμενη τάση με συχνότητα μικρότερη από 500 Hz, η τάση στους πυκνωτές C8. Το C11 αλλάζει σημαντικά κατά τη διάρκεια του κύκλου. Επομένως, 1100 μετρήσεις με διάστημα 1 ms επιτρέπουν τον καθορισμό της μέγιστης τιμής για την περίοδο. Ο μετατροπέας πολικότητας τάσης τροφοδοσίας συναρμολογείται σε ένα τσιπ DA2 σύμφωνα με ένα τυπικό σχήμα. Η τάση εξόδου του -5 V τροφοδοτεί τον συγκριτή DA1 και τον ενισχυτή DA3. Η υποδοχή XP2 προορίζεται για προγραμματισμό εντός υλικού του μικροελεγκτή.
Το βολτόμετρο χρησιμοποιεί σταθερές αντιστάσεις C2-23, MLT, κοπτήρες - σειρά Bourns 3296, πυκνωτές οξειδίου - εισαγόμενοι, οι υπόλοιποι - K10-17. Το μικροκύκλωμα 74AC00 μπορεί να αντικατασταθεί με το KR555LAZ, το τρανζίστορ KT361G με οποιοδήποτε από τη σειρά KT3107. Μπορούμε να αντικαταστήσουμε τη δίοδο 1N5818 με οποιαδήποτε δίοδο γερμανίου ή Schottky με επιτρεπόμενο προς τα εμπρός ρεύμα τουλάχιστον 50 mA. Η αντικατάσταση του τσιπ ICL7660 είναι άγνωστη στον συγγραφέα, αλλά ο μετατροπέας πολικότητας τάσης +5/-5 V μπορεί να συναρμολογηθεί σύμφωνα με ένα από τα κυκλώματα που δημοσιεύονται στο περιοδικό Radio. Επιπλέον, ο μετατροπέας μπορεί να εξαλειφθεί πλήρως χρησιμοποιώντας μια διπολική σταθεροποιημένη παροχή ρεύματος. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην επιλογή του συγκριτή, καθώς το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας εξαρτάται από αυτό. Η επιλογή του συγκριτή LM319 (αναλογικά KA319, LT319) οφείλεται σε δύο κριτήρια - την απαιτούμενη ταχύτητα και τη διαθεσιμότητα. Οι συγκριτές LM306, LM361, LM710 είναι πιο γρήγοροι, αλλά αποδείχθηκε ότι ήταν πιο δύσκολο να τα αποκτήσετε και, επιπλέον, είναι πιο ακριβά. Πιο προσβάσιμα είναι τα LM311 (οικιακό ανάλογο του KR554SAZ) και LM393. Όταν εγκαταστάθηκε ο συγκριτής LM311 στη συσκευή, όπως αναμενόταν, το εύρος συχνοτήτων μειώθηκε στα 250 kHz. Η αντίσταση R6 έχει σχετικά χαμηλή αντίσταση, καθώς η συσκευή χρησιμοποιήθηκε ως ενσωματωμένο βολτόμετρο στη γεννήτρια LF. Όταν χρησιμοποιείτε τη συσκευή σε αυτόνομο μετρητή, η αντίστασή της μπορεί να αυξηθεί, αλλά το σφάλμα μέτρησης θα αυξηθεί λόγω του σχετικά μεγάλου ρεύματος εισόδου του συγκριτή DA1.
Το κύκλωμα διαιρέτη τάσης 1:10 φαίνεται στο σχ. 2. Εδώ, οι λειτουργίες της αντίστασης R2 στο διαχωριστικό εκτελούνται από την αντίσταση R6 (βλ. Εικ. 1). Ρυθμίστε το διαιρέτη τάσης με μια συγκεκριμένη σειρά. Στην είσοδό του τροφοδοτούνται ορθογώνιοι παλμοί με συχνότητα αρκετών kilohertz, πλάτος 2 ... 3 V (ένα τέτοιο σήμα βαθμονόμησης είναι διαθέσιμο σε πολλούς παλμογράφους) και η είσοδος του παλμογράφου συνδέεται στην έξοδο (στο pin 5 DA1) . Με τη ρύθμιση του πυκνωτή C1, επιτυγχάνεται ένα ορθογώνιο σχήμα παλμού. Ο παλμογράφος πρέπει να χρησιμοποιείται με διαιρέτη τάσης εισόδου 1:10. Όλα τα εξαρτήματα, εκτός από την ένδειξη, είναι τοποθετημένα σε μια πλακέτα κυκλώματος breadboard διαστάσεων 100x70 mm χρησιμοποιώντας ενσύρματη καλωδίωση. Εμφάνισημία από τις επιλογές της συσκευής φαίνεται στο Σχ. 3. Για τη διευκόλυνση της σύνδεσης μιας ψηφιακής ένδειξης, χρησιμοποιείται ένας σύνδεσμος (δεν φαίνεται στο διάγραμμα). Κατά την εγκατάσταση, το κοινό καλώδιο του βύσματος εισόδου XP1 και οι αντίστοιχοι ακροδέκτες των πυκνωτών C8, C10, C11 και C13 πρέπει να συνδέονται στο κοινό καλώδιο σε ένα σημείο με καλώδια ελάχιστου μήκους. Τα στοιχεία VT1, R20, C8, C10, C11 και C13 και ο συγκριτής DA1 θα πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο συμπαγή, οι πυκνωτές C3, C6 - όσο το δυνατόν πιο κοντά στους ακροδέκτες του συγκριτή DA1 και οι C4, C14, C15 - στο ακροδέκτες του μικροελεγκτή DD2. Για την εγκατάσταση, η είσοδος της συσκευής είναι κλειστή, η κοινή έξοδος του αισθητήρα παλμογράφου συνδέεται στη θετική έξοδο του πυκνωτή C13 και η έξοδος σήματος συνδέεται με τον πομπό του τρανζίστορ VT1. Στην οθόνη θα πρέπει να εμφανίζεται ένας παλμός αρνητικής πολικότητας με πλάτος περίπου 0,6 V και διάρκεια 0,5 μs. Εάν, λόγω του χαμηλού ρυθμού επανάληψης των παλμών, θα είναι δύσκολο να τους παρατηρήσετε, τότε μια αντίσταση με αντίσταση 0,1 ... 1 kOhm συνδέεται προσωρινά παράλληλα με τον πυκνωτή C11. Η τάση στον πυκνωτή C12 ελέγχεται από ένα βολτόμετρο υψηλού ωμικού, θα πρέπει να είναι κοντά στο μηδέν (συν ή πλην μερικά millivolt).
Η τάση στην έξοδο του op-amp DA3 (η οποία δεν πρέπει να υπερβαίνει τα λίγα millivolt) μηδενίζεται από την αντίσταση R27. Ο απαιτούμενος τρόπος λειτουργίας του μικροελεγκτή ρυθμίζεται με την παροχή των απαιτούμενων επιπέδων στις γραμμές PB6, PB7, PC2-PC4, για τις οποίες συνδέονται σε κοινό καλώδιο ή σε γραμμή ρεύματος +5 V μέσω αντιστάσεων με αντίσταση 20 . .. 30 kOhm. Στην είσοδο της συσκευής συνδέεται ένα υποδειγματικό βολτόμετρο και εφαρμόζεται σταθερή τάση 0,95 ... 1 V. Οι ενδείξεις και των δύο βολτόμετρων εξισώνονται με μια αντίσταση trimmer R4. Στη συνέχεια, η τάση αυξάνεται στα 2,95 ... 3 V και οι ενδείξεις εξισώνονται ξανά με την αντίσταση R1. Με μια επιλογή αντιστάσεων R8-R15, μπορείτε να ρυθμίσετε την επιθυμητή φωτεινότητα της ένδειξης. Αρχικά, επιλέγεται η απαιτούμενη ονομασία μόνο ενός από αυτά και, στη συνέχεια, εγκαθίστανται τα υπόλοιπα. Κατά την επιλογή, πρέπει να θυμόμαστε ότι το μέγιστο ρεύμα εξόδου της θύρας του μικροελεγκτή που χρησιμοποιείται δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 40 mA και η συνολική κατανάλωση ρεύματος δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 200 mA.
Συνημμένα αρχεία: vmetr.zip
Ένα απλό βολτόμετρο AC με συχνότητα 50 Hz έχει σχεδιαστεί ως ενσωματωμένη μονάδα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωριστά και να ενσωματωθεί σε μια τελική συσκευή.
Το βολτόμετρο συναρμολογείται σε μικροελεγκτή PIC16F676 και 3ψήφιο δείκτη και δεν περιέχει πολλές λεπτομέρειες.
Τα κύρια χαρακτηριστικά του βολτόμετρου:
Η μορφή της μετρούμενης τάσης είναι ημιτονοειδής
Η μέγιστη τιμή της μετρούμενης τάσης είναι 250 V.
Η συχνότητα της μετρούμενης τάσης - 40 ... 60 Hz;
Διακριτή εμφάνιση του αποτελέσματος της μέτρησης - 1 V;
Τάση τροφοδοσίας βολτόμετρου - 7 ... 15 V.
Μέση κατανάλωση ρεύματος - 20 mA
Δύο επιλογές σχεδίασης: με και χωρίς PSU επί του σκάφους
PCB μονής όψης
Συμπαγής σχεδιασμός
Εμφάνιση μετρούμενων τιμών σε οθόνη LED 3 ψηφίων
Σχηματικό διάγραμμα βολτόμετρου για τη μέτρηση της τάσης AC
Πραγματοποιήθηκε άμεση μέτρηση εναλλασσόμενης τάσης με μετέπειτα υπολογισμό της τιμής και της εξόδου της στον δείκτη. Η μετρούμενη τάση τροφοδοτείται στον διαχωριστή εισόδου, κατασκευασμένος σε R3, R4, R5, και μέσω του διαχωριστικού πυκνωτή C4 τροφοδοτείται στην είσοδο του ADC του μικροελεγκτή.
Οι αντιστάσεις R6 και R7 δημιουργούν τάση 2,5 βολτ (μισή ισχύς) στην είσοδο του ADC. Ο σχετικά μικρός πυκνωτής C5 μετατρέπει την είσοδο ADC και βοηθά στη μείωση του σφάλματος μέτρησης. Ο μικροελεγκτής οργανώνει τη λειτουργία της ένδειξης σε δυναμική λειτουργία με διακοπές από το χρονόμετρο.
Κατασκευή και λεπτομέρειες
Επιλογή με τροφοδοσία από το μετρημένο δίκτυο 220 V. Παρέχεται ένα απλό τροφοδοτικό 5 volt, αυτό το τμήμα είναι κυκλωμένο σε μια ανοιχτή πράσινη γραμμή στο διάγραμμα. Μια τέτοια μονάδα χρησιμοποιείται με άμεση τροφοδοσία από το μετρούμενο δίκτυο. Σε αυτή τη λειτουργία, το κατώτερο όριο της μετρούμενης τάσης θα είναι περίπου 150 βολτ.
Επιλογή με επιπλέον τροφοδοτικό + 7…15 V. Όρια μέτρησης 0 - 250 Volt.
Το βολτόμετρο συναρμολογείται σε μια σανίδα κατασκευασμένη από μονόπλευρο φύλλο υαλοβάμβακα. Ο δείκτης χρησιμοποιείται με μια κοινή κάθοδο.
Οι αντιστάσεις R6 και R7 μπορούν να έχουν τιμή 47 - 100 kohm. Πρέπει να επιλέγονται με τις ίδιες ονομαστικές αξίες ή να λαμβάνονται με ανοχή 1%. Η γραμμικότητα των ενδείξεων στο πάνω μέρος της κλίμακας εξαρτάται από την ισότητα των ονομασιών τους.
Η τιμή των αντιστάσεων R8 - R12 επιλέγεται ανάλογα με την απαιτούμενη φωτεινότητα της λάμψης και την έξοδο φωτός του δείκτη. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να χρειαστεί να αυξηθεί η χωρητικότητα του πυκνωτή C1 για να ληφθεί μεγαλύτερη τιμή ρεύματος για την τροφοδοσία του δείκτη.
Όταν χρησιμοποιείτε δείκτη με χαμηλή απόδοση φωτισμού, συνιστάται να χρησιμοποιείτε ένα πιο ισχυρό 7805 αντί για το τσιπ U1 (78L05) για να αποφύγετε την υπερθέρμανση.
Σύνθεση
Η ρύθμιση βολτόμετρου δεν έχει χαρακτηριστικά. Πριν από τη ρύθμιση, συνιστάται να περιμένετε 10 - 15 λεπτά μετά την ενεργοποίηση. Είναι απαραίτητο να ρυθμίσετε τις σωστές ενδείξεις με τις αντιστάσεις R5 (λεπτή) και R3 (ακατέργαστες εάν απαιτείται).Πρόγραμμα
Το πρόγραμμα είναι γραμμένο σε γλώσσα C (mikroC PRO για PIC) και παρέχεται με σχόλια. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιείται άμεση μέτρηση της τάσης ACμικροελεγκτή, ο οποίος κατέστησε δυνατή την απλοποίηση του κυκλώματος και τη βελτίωση της ακρίβειας της μέτρησης χαμηλών τάσεων.Χρησιμοποιείται μικροεπεξεργαστής PIC16F676. Συχνότητα ρολογιούεσωτερικός ταλαντωτής 4 MHz.
Λειτουργία προγράμματος:κατά τη διάρκεια μιας ορισμένης χρονικής περιόδου, πραγματοποιούνται πολλαπλές μετρήσεις άμεσης τάσης χωρίς αναφορά στη φάση και ταυτόχρονα προσδιορίζονται οι ελάχιστες και μέγιστες τιμές τάσης. Η διαφορά μεταξύ των τιμών τους θα είναι ίση με το εύρος της μετρούμενης τάσης, η οποία εμφανίζεται στην ένδειξη.
Πιθανές εφαρμογές του βολτόμετρου
Μέτρηση τάσης δικτύου (όρια μέτρησης 150 - 250 Volt)Γεια σου αγαπητέ αναγνώστη. Μερικές φορές καθίσταται απαραίτητο να έχετε ένα μικρό, απλό βολτόμετρο «στο χέρι». Το να φτιάξετε ένα τέτοιο βολτόμετρο με τα χέρια σας δεν είναι δύσκολο.
Η καταλληλότητα ενός βολτόμετρου για τη μέτρηση τάσεων σε ορισμένα κυκλώματα κρίνεται από την αντίσταση εισόδου του, η οποία είναι το άθροισμα της αντίστασης του πλαισίου της συσκευής δείκτη και της αντίστασης της πρόσθετης αντίστασης. Δεδομένου ότι οι πρόσθετες αντιστάσεις έχουν διαφορετικές ονομασίες σε διαφορετικά όρια, τότε αντίσταση εισόδουη συσκευή θα είναι διαφορετική. Συχνότερα, ένα βολτόμετρο αξιολογείται από τη σχετική αντίσταση εισόδου του, η οποία χαρακτηρίζει τον λόγο της αντίστασης εισόδου της συσκευής προς το 1 V της μετρούμενης τάσης, για παράδειγμα, 5 kOhm / V. Αυτό είναι πιο βολικό: η αντίσταση εισόδου του βολτόμετρου είναι διαφορετική σε διαφορετικά όρια μέτρησης και η σχετική αντίσταση εισόδου είναι σταθερή. Όσο μικρότερο είναι το συνολικό ρεύμα εκτροπής του βέλους της συσκευής μέτρησης Ii που χρησιμοποιείται στο βολτόμετρο, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η σχετική αντίσταση εισόδου του, τόσο πιο ακριβείς θα είναι οι μετρήσεις του. Σε σχέδια τρανζίστορ, είναι απαραίτητο να μετρηθεί η τάση από κλάσματα ενός βολτ έως αρκετές δεκάδες βολτ, και ακόμη περισσότερο σε σχέδια λαμπτήρων. Επομένως, ένα βολτόμετρο μονού ορίου δεν είναι βολικό. Για παράδειγμα, ακόμη και οι τάσεις 1-5V δεν μπορούν να μετρηθούν με ακρίβεια με ένα βολτόμετρο με κλίμακα 100V, καθώς η απόκλιση του βέλους θα αποδειχθεί ελάχιστα αισθητή. Επομένως, χρειαζόμαστε ένα βολτόμετρο που έχει τουλάχιστον τρία έως τέσσερα όρια μέτρησης. Το σχέδιο ενός τέτοιου βολτόμετρου συνεχές ρεύμαφαίνεται στο Σχ.1. Η παρουσία τεσσάρων πρόσθετων αντιστάσεων R1, R2, R3 και R4 δείχνει ότι το βολτόμετρο έχει τέσσερα όρια μέτρησης. Σε αυτή την περίπτωση, το πρώτο όριο είναι 0-1V, το δεύτερο είναι 0-10V, το τρίτο είναι 0-100V και το τέταρτο είναι 0-1000V.
Η αντίσταση των πρόσθετων αντιστάσεων μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο που ακολουθεί από το νόμο του Ohm: Rd \u003d Up / Ii - Rp, εδώ Up είναι η υψηλότερη τάση ενός δεδομένου ορίου μέτρησης, Ii είναι το συνολικό ρεύμα εκτροπής της βελόνας της κεφαλής μέτρησης και Το Rp είναι η αντίσταση του πλαισίου της κεφαλής μέτρησης. Έτσι, για παράδειγμα, για μια συσκευή για ρεύμα Ii \u003d 500 μA (0,0005A) και πλαίσιο με αντίσταση 500 Ohm, η αντίσταση της πρόσθετης αντίστασης R1, για ένα όριο 0-1V πρέπει να είναι 1,5 kOhm, για όριο 0-10V - 19,5 kOhm, για όριο 0 -100 V - 199,5 kOhm, για όριο 0-1000 - 1999,5 kOhm. Η σχετική αντίσταση εισόδου ενός τέτοιου βολτόμετρου θα είναι 2 kOhm / V. Συνήθως, πρόσθετες αντιστάσεις με τιμές κοντά σε αυτές που έχουν υπολογιστεί τοποθετούνται σε ένα βολτόμετρο. Τέλος, η «ρύθμιση» των αντιστάσεων τους πραγματοποιείται κατά τη βαθμονόμηση του βολτόμετρου με τη σύνδεση άλλων αντιστάσεων σε αυτά παράλληλα ή σε σειρά.
Εάν συμπληρώσουμε το βολτόμετρο συνεχούς ρεύματος με έναν ανορθωτή που μετατρέπει την τάση AC σε συνεχές (ακριβέστερα, παλμικό), θα έχουμε ένα βολτόμετρο εναλλασσόμενο ρεύμα. Ένα πιθανό κύκλωμα μιας τέτοιας συσκευής με ανορθωτή μισού κύματος φαίνεται στο Σχ. 2. Η συσκευή λειτουργεί ως εξής. Σε εκείνες τις χρονικές στιγμές που υπάρχει ένα θετικό μισό κύμα εναλλασσόμενης τάσης στον αριστερό (σύμφωνα με το κύκλωμα) ακροδέκτη της συσκευής, το ρεύμα ρέει μέσω της διόδου D1 και στη συνέχεια μέσω του μικροαμπερόμετρου στο δεξιό ακροδέκτη. Αυτή τη στιγμή, η δίοδος D2 είναι κλειστή. Κατά τη διάρκεια του θετικού μισού κύματος στον δεξιό σφιγκτήρα, η δίοδος D1 κλείνει και τα θετικά μισά κύματα της εναλλασσόμενης τάσης κλείνουν μέσω της διόδου D2, παρακάμπτοντας το μικροαμπερόμετρο.
Η πρόσθετη αντίσταση Rd υπολογίζεται με τον ίδιο τρόπο όπως για σταθερές τάσεις, αλλά το αποτέλεσμα διαιρείται με το 2,5-3 εάν ο ανορθωτής της συσκευής είναι μισού κύματος ή με το 1,25-1,5 εάν ο ανορθωτής της συσκευής είναι πλήρους κύματος - Εικ. 3 . Πιο συγκεκριμένα, η αντίσταση αυτής της αντίστασης επιλέγεται εμπειρικά κατά τη βαθμονόμηση της κλίμακας του οργάνου. Μπορείτε να υπολογίσετε το Rd χρησιμοποιώντας άλλους τύπους. Η αντίσταση των πρόσθετων αντιστάσεων των βολτόμετρων του συστήματος ανορθωτή, που κατασκευάζονται σύμφωνα με το κύκλωμα στο Σχ. 2, υπολογίζεται από τον τύπο:
Rd = 0,45; Up / Ii - (Rp + rd);
Για το κύκλωμα στο Σχ. 3, ο τύπος μοιάζει με:
Rd = 0,9; Πάνω / Ii - (Rp + 2η); όπου rd είναι η αντίσταση προς τα εμπρός της διόδου.
Οι ενδείξεις των οργάνων του συστήματος ανορθωτή είναι ανάλογες με τη μέση διορθωμένη τιμή των μετρούμενων τάσεων. Οι κλίμακες τους βαθμονομούνται στις τιμές rms της ημιτονοειδούς τάσης, επομένως οι ενδείξεις των συσκευών του συστήματος ανορθωτή είναι ίσες με την τιμή rms της τάσης μόνο κατά τη μέτρηση ημιτονοειδών τάσεων. Οι δίοδοι γερμανίου D9D χρησιμοποιούνται ως διόδους ανόρθωσης. Τέτοια βολτόμετρα μπορούν επίσης να μετρήσουν τάσεις συχνότητας ήχου έως και αρκετές δεκάδες kilohertz. Μια κλίμακα για ένα σπιτικό βολτόμετρο μπορεί να σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα FrontDesigner_3.0_setup.
Εάν χρησιμοποιείτε ένα βολτόμετρο με μια κεφαλή μέτρησης ενός μαγνητοηλεκτρικού συστήματος για τη μέτρηση της άμεσης τάσης, τότε προσέξατε ότι εάν η πολικότητα των ανιχνευτών βολτόμετρου συνδέεται με την πηγή της μετρούμενης τάσης, το βέλος της κεφαλής μέτρησης αποκλίνει αντίθετα κατεύθυνση πέρα από το μηδέν και ξεφεύγει από την κλίμακα. Εάν προσπαθήσετε να μετρήσετε μια εναλλασσόμενη τάση με συχνότητα περίπου 50 Hz και υψηλότερη με μια τέτοια συσκευή, το βέλος μπορεί να συσπαστεί ελαφρά την αρχική στιγμή, αλλά μετά από αυτό θα δείχνει στο μηδέν. Μια μη μηδενική τιμή θα υποδεικνύει την παρουσία ενός στοιχείου σταθερής τάσης.
Ο ευκολότερος τρόπος για να βγείτε από την κατάσταση είναι να μετατρέψετε την τάση AC σε DC, δηλαδή να την ισιώσετε. Αυτό είναι εύκολο να γίνει με μία μόνο δίοδο, όπως φαίνεται στο άρθρο. Εάν θέλετε να μετρήσετε την τάση περισσότερο ή λιγότερο με ακρίβεια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για διόρθωση.
Σχέδια μέτρησης
Ο λόγος για αυτή τη συμπεριφορά του μαγνητοηλεκτρικού μετρητή κατά τη μέτρηση της τάσης AC είναι απλός. Σε τέτοιες συσκευές υπάρχει ένας μόνιμος μαγνήτης και η κατεύθυνση της απόκλισης του βέλους της συσκευής εξαρτάται από την κατεύθυνση της ροής ρεύματος στο πηνίο του περιστρεφόμενου πλαισίου. Τη στιγμή ενός θετικού μισού κύκλου, το βέλος της συσκευής προσπαθεί να αποκλίνει προς τη μία κατεύθυνση, ενώ το αρνητικό προσπαθεί να αποκλίνει προς την άλλη. Με μια αρκετά συχνή αλλαγή πολικότητας, για παράδειγμα, όπως σε ένα δίκτυο καταναλωτών 50 Hz, το βέλος απλά δεν έχει χρόνο να αποκλίνει προς μία κατεύθυνση, όταν ξαφνικά πρέπει να αποκλίνει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορείτε απλώς να παρατηρήσετε το τρέμουλο του βέλους ή να μην παρατηρήσετε τίποτα.
Οι κεφαλές μέτρησης του ηλεκτρομαγνητικού συστήματος στη συσκευή τους δεν έχουν μόνιμο μαγνήτη και η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στο φαινόμενο της έλξης ενός αντικειμένου από ένα μαγνητιζόμενο υλικό στην περιοχή του κέντρου του πηνίου με ρεύμα. Η κατεύθυνση δράσης ενός πηνίου με ρεύμα σε ένα μαγνητισμένο αντικείμενο δεν εξαρτάται από την κατεύθυνση του ρεύματος στην περιέλιξη του πηνίου. Επομένως, τέτοιες συσκευές μετρούν εύκολα τόσο το συνεχές όσο και το εναλλασσόμενο ρεύμα ή τάση.
Εάν πρέπει να μετρήσετε την τάση στο δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος και μόνο μια συσκευή με κεφαλή μέτρησης του μαγνητοηλεκτρικού συστήματος (με μόνιμο μαγνήτη) είναι κοντά σας, τότε μπορείτε απλά να βγείτε από την κατάσταση έχοντας τουλάχιστον μία δίοδο ανορθωτή με αντίστροφη τάση όχι μικρότερη από την αναμενόμενη τιμή πλάτους που θα μετρηθεί. Για να το κάνετε αυτό, εξετάστε δύο σχήματα.
Κύκλωμα με μία δίοδο
Λιγότερο ακριβής, αλλά εξαιρετικά απλή επιλογή. Το μόνο που χρειάζεται είναι να συνδέσετε έναν από τους αισθητήρες της συσκευής μέσω μιας διόδου ανορθωτή. Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να σημειωθεί ότι η δίοδος πρέπει να συνδεθεί στον προηγούμενο ακροδέκτη με θετική πολικότητα μέσω της κάθοδος (στον αρνητικό - από την άνοδο). Υπό τη δράση ενός θετικού μισού κύκλου, το βέλος θα εκτρέψει τη μετρούμενη τιμή τάσης προς την κατεύθυνση που χρειαζόμαστε. Κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού κύκλου, η δίοδος θα σβήσει, διακόπτοντας το κύκλωμα της συσκευής με μια πηγή τάσης που δεν θα ενεργεί πλέον στο βέλος της συσκευής προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Λειτουργία μέτρησης μονής διόδου
Προσδιορισμός της αξίας μιας ποσότητας.Κατά τη μέτρηση σύμφωνα με το υπό εξέταση σχήμα, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η συσκευή αντιδρά μόνο κατά τη διάρκεια ενός μισού κύκλου και θα εμφανίσει μια τιμή δύο φορές μικρότερη από την πραγματική τιμή της τάσης λειτουργίας. Δηλαδή, εάν, κατά τη μέτρηση της τάσης με ένα τέτοιο κύκλωμα, η συσκευή έδειξε τιμή 110 V, αυτή η ένδειξη πρέπει να πολλαπλασιαστεί επί δύο και θα πάρετε αυτό που μετρήσατε.
Επιλογή διόδου.Για σωστή επιλογήδίοδος, πρέπει να λάβουμε υπόψη την αντίστροφη τάση της διόδου, η οποία πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τιμή πλάτους της μετρούμενης τιμής, διαφορετικά η δίοδος μπορεί να διαρρεύσει και η συσκευή θα σταματήσει να εμφανίζεται ή μπορεί να βρίσκεται κατά πολλές τάξεις μέγεθος. Για παράδειγμα, πρόκειται να μετρήσουμε την τάση σε μια πρίζα. Κατά τον καθορισμό της κατηγορίας τάσης του εξοπλισμού, υποδεικνύεται η πραγματική τιμή. Για να μάθετε την τιμή του πλάτους, πρέπει να πολλαπλασιάσετε την πραγματική τιμή με τη ρίζα δύο:. Η τάση δικτύου καταναλωτή είναι 220 V. Το πλάτος τάσης θα είναι 220 × 1,41 \u003d 311 V. Στην περίπτωσή μας, οι δίοδοι ανορθωτή με αντίστροφη τάση 400 V και υψηλότερη είναι αρκετά κατάλληλες. Το παρακάτω δεν είναι επιθυμητό, γιατί σε περίπτωση υπέρτασης στο δίκτυο, το πλάτος της τάσης μπορεί να υπερβεί την αντίστροφη τάση της διόδου, θα συμβεί μη αναστρέψιμη βλάβη διασταύρωση p-nκαι η δίοδος θα αποτύχει.
Επίσης, μην επιλέγετε διόδους υψηλής ισχύος, όσο μικρότερη είναι η ισχύς, τόσο το καλύτερο. Οι δίοδοι ισχύος έχουν μεγάλο p-n περιοχήμετάβαση, η οποία σε κατάσταση κλειδώματος μπορεί να συμπεριφέρεται σαν πλάκες πυκνωτών. Έτσι, στον αρνητικό μισό κύκλο, η χωρητική αγωγιμότητα μπορεί να επηρεάσει και οι μετρήσεις της συσκευής θα υποτιμηθούν κάπως. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα της μετρούμενης τάσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η επίδραση, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται ευαίσθητες κεφαλές μέτρησης υψηλής αντίστασης.
Διάγραμμα με γέφυρα διόδου
Μια πιο περίπλοκη επιλογή, αλλά σας επιτρέπει να μετράτε ηλεκτρικά μεγέθη με μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτό θα απαιτήσει 4 διόδους ή μια έτοιμη γέφυρα διόδου. Η αρχή λειτουργίας του κυκλώματος είναι παρόμοια με την πρώτη επιλογή, αλλά εδώ το στοιχείο μέτρησης αισθάνεται και τις δύο μισές περιόδους της τάσης, οι οποίες ενεργούν σε αυτό προς την ίδια κατεύθυνση και η συσκευή δείχνει την πραγματική τιμή της τάσης. Δηλαδή, οι μετρήσεις της συσκευής θα ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα.
Η επιλογή των διόδων ή μιας γέφυρας διόδου είναι παρόμοια με την πρώτη περίπτωση.
Προληπτικά μέτρα
Όταν τροποποιείτε το όργανό σας με αυτούς τους τρόπους, δώστε ιδιαίτερη προσοχή στην ασφάλεια. Οι δίοδοι ή μια γέφυρα διόδου που χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα, καθώς και τα σημεία επαφής για την κοπή καλωδίων, οι ανιχνευτές οργάνων, οι ακροδέκτες βολτόμετρου πρέπει να είναι καλά μονωμένα για την αποφυγή ζημιών ηλεκτροπληξίασε περίπτωση τυχαίας επαφής με μέρη της συσκευής που μεταφέρουν ρεύμα κατά τη διάρκεια της μέτρησης.
