Când se verifică circuitele electrice de putere, adesea devine necesară măsurarea puterii curentului. Pentru a măsura magnitudinea curent continuu, de regulă, se utilizează un șunt de rezistență, conectat în serie cu sarcina, tensiunea peste care este proporțională cu curentul. Cu toate acestea, dacă este necesar să se măsoare curenți mari, atunci va fi necesar un șunt de putere impresionantă, deci este mai indicat să folosiți alte metode de măsurare.

In acest sens mi-a venit ideea sa asamblez un curentometru pe baza unui senzor Hall. Schema sa este prezentată în figură.

Caracteristici ampermetrului:

• Măsurarea curentului AC sau DC fără contact electric cu circuitul
• Măsurarea curentului True RMS (true RMS) indiferent de forma de undă, precum și valoarea maximă pe perioadă (aproximativ 0,5 secunde)
• Informații de ieșire către personaj Ecran LCD
• Două moduri de măsurare (până la 10A și până la 50A)

Schema funcționează după cum urmează. Un fir cu curent este situat în interiorul inelului de ferită, creând în același timp un câmp magnetic, a cărui mărime este direct proporțională cu puterea curentului. Un senzor cu efect Hall situat în spațiul de aer al miezului transformă inducția câmpului într-o tensiune, iar această tensiune este aplicată amplificatoarelor operaționale. Amplificatoarele operaționale sunt necesare pentru a aduce nivelurile de tensiune de la senzor la intervalul de tensiune de intrare a ADC. Datele primite sunt procesate de microcontroler și afișate pe ecranul LCD.

Calculul preliminar al schemei

Ca miez a fost folosit inelul R20*10*7 din material N87. Senzor Hall - SS494B.

Cu ajutorul unei pile cu ac, un spațiu de o asemenea grosime este prelucrat în inel, astfel încât senzorul să se potrivească acolo, adică aproximativ 2 mm. În această etapă, este deja posibilă estimarea aproximativă a sensibilității senzorului la curent și a curentului maxim posibil măsurat.

Permeabilitatea echivalentă a unui miez cu un spațiu este aproximativ egală cu raportul dintre lungimea liniei magnetice și dimensiunea spațiului:

Apoi, înlocuind această valoare în formula pentru calcularea inducției în miez și înmulțind totul cu sensibilitatea senzorului, găsim dependența tensiunii de ieșire a senzorului de puterea curentului:

Aici K B- sensibilitatea senzorului la inducerea câmpului magnetic, exprimată în V/T (preluată din fișa tehnică).

De exemplu, în cazul meu lh= 2 mm = 0,002 m,K B= 5 mV/Gauss = 50 V/T, de unde obținem:

Sensibilitatea reală la curent s-a dovedit a fi egală cu 0,03 V/A, adică calculul este foarte precis.

Conform fișei de date de pe SS494B, inductanța maximă măsurată de senzor este de 420 Gauss, prin urmare curentul maxim măsurat este:

Fotografie cu senzorul din gol:

Calculul circuitelor op-amp

Ampermetrul are două canale: până la 10 A (23 de ieșiri MK) și până la 50 A (24 de ieșiri MK). Multiplexorul ADC se ocupă de comutarea modului.

Tensiunea de referință internă a fost aleasă ca tensiune de referință a ADC, astfel încât semnalul trebuie adus în intervalul 0 - 2,56 V. La măsurarea curenților de ±10 A, tensiunea senzorului este de 2,5 ± 0,3 V, prin urmare, este necesar să-l amplificați și să-l deplasați astfel încât punctul zero să fie exact în mijlocul intervalului ADC. Pentru aceasta, se folosește amplificatorul operațional IC2:A, inclus ca amplificator non-inversător. Tensiunea la ieșire este descrisă de ecuația:

Aici, R2 înseamnă R2 și P2 conectate în serie, iar R3, respectiv, R3 și P3, astfel încât expresia să nu pară prea greoaie. Pentru a găsi rezistența rezistențelor, scriem ecuația de două ori (pentru curenții -10A și +10A):

Știm tensiunea

Setând R4 egal cu 20 kOhm, obținem un sistem de două ecuații, unde variabilele sunt R2 și R3. Soluția sistemului poate fi găsită cu ușurință folosind pachete matematice, precum MathCAD (fișierul de calcul este atașat articolului).

Al doilea lanț, format din IC3:A și IC3:B, este calculat într-un mod similar. În el, semnalul de la senzor trece mai întâi prin repetorul IC3: A și apoi intră în divizor pe rezistențele R5, R6, P5. După ce semnalul este atenuat, acesta este în continuare polarizat de amplificatorul operațional IC3:B.

Descrierea microcontrolerului

Microcontrolerul ATmega8A procesează semnalele de la amplificatorul operațional și afișează rezultatele pe afișaj. Este tactat de la un oscilator intern de 8 MHz. Siguranțele sunt standard, cu excepția CKSEL. În PonyProg sunt setate astfel:

ADC este configurat să funcționeze la 125 kHz (raportul de diviziune este de 64). La sfârșitul conversiei ADC, este apelat un handler de întrerupere. Își amintește valoarea maximă a curentului și, de asemenea, însumează pătratele curenților probelor succesive. De îndată ce numărul de mostre ajunge la 5000, microcontrolerul calculează valoarea RMS a curentului și afișează datele pe afișaj. Apoi variabilele sunt resetate la zero și totul începe de la început. Diagrama prezintă afișajul WH0802A, dar orice alt afișaj poate fi utilizat cu controlerul HD44780.

Firmware-ul microcontrolerului, proiectul pentru CodeVision AVR și fișierul de simulare din Proteus sunt atașate articolului.

Configurarea schemei

Configurarea dispozitivului se reduce la reglarea rezistențelor de reglare. Mai întâi trebuie să reglați contrastul afișajului rotind P1.

Apoi, trecând cu butonul S1 la modul până la 10A, setăm P2 și P3. Deșurubam unul dintre rezistențe cât mai mult posibil spre dreapta și, prin rotirea celui de-al doilea rezistor, obținem citiri zero ale dispozitivului. Încercăm să măsurăm curentul, a cărui valoare este cunoscută cu precizie, în timp ce citirile ampermetrului ar trebui să se dovedească a fi mai mici decât sunt de fapt. Răsucim ambele rezistențe puțin spre stânga, astfel încât punctul zero să fie păstrat și din nou măsurăm curentul. De data aceasta, citirile ar trebui să fie puțin mai mari. Continuăm acest lucru până când obținem o afișare precisă a valorii curente.

Acum treceți la modul până la 50A și setați-l. Rezistorul P4 setează zero pe afișaj. Măsurăm orice curent și ne uităm la citiri. Dacă ampermetrul le supraestimează, atunci întoarceți P5 la stânga; dacă subestimează, atunci întoarceți la dreapta. Setăm din nou zero, verificăm citirile la un curent dat și așa mai departe.

Fotografia dispozitivului

Măsurarea curentului continuu:

Din cauza calibrării insuficient de precise, valorile sunt ușor supraestimate.

Măsurarea curentului alternativ cu o frecvență de 50 Hz, un fier de călcat este utilizat ca sarcină:

În teorie, curentul RMS al unei sinusoide este 0,707 din maxim, dar, judecând după citiri, acest coeficient este 0,742. După verificarea formei tensiunii din rețea, s-a dovedit că seamănă doar cu o sinusoidă. Având în vedere acest lucru, astfel de citiri ale dispozitivului par destul de fiabile.

Dispozitivul mai are un dezavantaj. Zgomotul este prezent constant la ieșirea senzorului. Trecând prin amplificatorul operațional, ajung la microcontroler, drept urmare este imposibil să se obțină un zero ideal (în loc de zero, este afișat aproximativ 30-40 mA RMS). Acest lucru poate fi corectat prin creșterea capacității lui C7, dar apoi răspunsul în frecvență se va deteriora: la frecvențe înalte, citirile vor fi subestimate.

Surse folosite

Lista elementelor radio

Desemnare	Tip	Denumirea	Cantitate	Notă	Scor	Blocnotesul meu
IC1	MK AVR pe 8 biți	ATmega8A	1	DIP-28		La blocnotes
IC2, IC3	Amplificator operațional	MCP6002	2	SOIC-8		La blocnotes
IC4	Regulator liniar	L78L05	1			La blocnotes
IC5	Senzor Hall	SS494B	1			La blocnotes
C1-C7	Condensator	100 nF	9	K10-17b		La blocnotes
R1, R3, R6, R9	Rezistor	10 kOhm	4	SMD 1206		La blocnotes
R2	Rezistor	12 kOhm	1	SMD 1206		La blocnotes
R4	Rezistor	20 kOhm	1	SMD 1206		La blocnotes
R5	Rezistor	6,8 kOhmi	1	SMD 1206		La blocnotes
R7, R8	Rezistor	100 kOhm	2	SMD 1206		La blocnotes
P1	Rezistor trimmer	10 kOhm	1	3362P		La blocnotes
P2	Rezistor trimmer	4,7 kOhm	1	3362P

Măsurarea curentului(abreviat ca măsurare curentă) este o abilitate utilă care va fi utilă de mai multe ori în viață. Este necesar să se cunoască magnitudinea curentului atunci când este necesar să se determine consumul de energie. Un dispozitiv numit ampermetru este folosit pentru a măsura curentul.

Există curent alternativ și curent continuu, prin urmare, pentru măsurarea acestora se folosesc diverse instrumente de măsură. Curentul este întotdeauna notat cu litera I, iar puterea sa este măsurată în Amperi și este notă cu litera A. De exemplu, I \u003d 2 A indică faptul că puterea curentului în circuitul testat este de 2 Amperi.

Să luăm în considerare în detaliu modul în care diferite instrumente de măsurare sunt marcate pentru măsurare tipuri diferite curenti.

• Pe un dispozitiv de măsurare pentru măsurarea curentului continuu, simbolul „-” este aplicat în fața literei A.
• Pe un dispozitiv de măsurare pentru măsurarea curentului alternativ, simbolul „~” este aplicat în același loc.

• ~ Un dispozitiv pentru măsurarea curentului alternativ.
• -Un dispozitiv pentru măsurarea curentului continuu.

Iată o fotografie a unui ampermetru proiectat pentru Măsurători de curent continuu.

Conform legii, puterea curentului care curge într-un circuit închis, în orice punct al acestuia, este egală cu aceeași valoare. Ca urmare, pentru a măsura curentul, este necesar să deconectați circuitul în orice loc convenabil pentru conectarea dispozitivului de măsurare.

Trebuie amintit că mărimea tensiunii prezente în circuitul electric nu are niciun efect asupra măsurarea curentului. Sursa de curent poate fi fie o sursă de alimentare de uz casnic de 220 V, fie o baterie de 1,5 V etc.

Dacă intenționați să măsurați curentul într-un circuit, acordați o atenție deosebită dacă curentul curge în circuit, direct sau alternativ. Luați un dispozitiv de măsurare adecvat și, dacă nu cunoașteți puterea de curent așteptată în circuit, setați comutatorul de măsurare a curentului în poziția maximă.

Să luăm în considerare în detaliu cum să măsuram puterea curentului cu un aparat electric.

Pentru siguranță măsurarea consumului de curent aparate electrice vom face un prelungitor de casă cu două prize. După asamblare, obținem un prelungitor foarte asemănător cu un prelungitor standard de magazin.

Dar dacă dezasamblam și comparăm unul cu celălalt, un prelungitor de casă și cumpărat din magazin, atunci vom vedea clar diferențele în structura internă. Concluziile din interiorul prizelor unui prelungitor de casă sunt conectate în serie, iar în magazin sunt conectate în paralel.

Fotografia arată clar că bornele superioare sunt interconectate printr-un fir galben, iar tensiunea de rețea este furnizată la bornele inferioare ale prizelor.

Acum începem să măsurăm curentul, pentru aceasta introducem ștecherul aparatului electric într-una dintre prize, iar sondele ampermetrului în cealaltă priză. Înainte de măsurarea curentului, nu uitați de informațiile citite despre cum să măsurați corect și în siguranță curentul.

Acum luați în considerare cum să interpretați corect citirile ampermetrului indicator. La măsurarea consumului de curent instrument, acul ampermetrului s-a oprit la diviziunea de 50, comutatorul a fost setat la limita maximă de măsurare de 3 amperi. Scara ampermetrului meu are 100 de diviziuni. Aceasta înseamnă că este ușor să determinați puterea curentului măsurat prin formula (3/100) X 50 \u003d 1,5 Amperi.

Formula de calcul a puterii dispozitivului în funcție de curentul consumat.

Având date despre cantitatea de curent consumată de orice aparat electric (TV, frigider, fier de călcat, sudare etc.), puteți determina cu ușurință ce consum de energie are acest aparat. Există un model fizic în lume căruia electricitatea îl respectă întotdeauna. Descoperitorii acestui tipar, Emil Lenz și James Joule, iar în onoarea lor, se numește acum Legea Joule-Lenz.

• I - puterea curentului, măsurată în Amperi (A);
• U - tensiune, măsurată în Volți (V);
• P este puterea, măsurată în wați (W).

Să efectuăm unul dintre calculele curente.

Am masurat consumul de curent al frigiderului si este egal cu 7 amperi. Tensiunea din rețea este de 220 V. Prin urmare, consumul de energie al frigiderului este de 220 V X 7 A \u003d 1540 W.

• tutorial

Introducere

Buna! După finalizarea ciclului pe senzori, s-au pus întrebări despre un plan diferit de măsurare a parametrilor de consum al aparatelor electrocasnice și nu foarte electrice. Cine consumă cât de mult, cum să conecteze ce să măsoare, care sunt subtilitățile și așa mai departe. Este timpul să dezvăluiți toate cărțile din această zonă.
În această serie de articole, vom lua în considerare subiectul măsurării parametrilor de electricitate. Acești parametri sunt de fapt foarte un numar mare de, pe care voi încerca să o povestesc treptat în serii mici.
Există trei serii în curs de dezvoltare până acum:

• Măsurarea energiei electrice.
• Calitatea energiei electrice.
• Dispozitive pentru măsurarea parametrilor energiei electrice.

În procesul de analiză, vom rezolva anumite probleme practice pe microcontrolere până la obținerea rezultatului. Desigur, cea mai mare parte a acestui ciclu va fi dedicată măsurării Tensiune ACși poate fi util tuturor ventilatoarelor pentru a controla aparatele electrice ale acestora casă inteligentă.
Pe baza rezultatelor întregului ciclu, vom produce un fel de contor electric inteligent cu acces la Internet. Fanii absolut notori ai controlului aparatelor electrice din casa lor inteligentă pot oferi toată asistența posibilă în implementarea părții de comunicare bazată, de exemplu, pe MajorDomo. Să facem OpenSource casă inteligentă mai bine, ca sa zic asa.
În această serie, în două părți, vom aborda următoarele întrebări:

• Conectarea senzorilor de curent și tensiune în dispozitive DC, precum și circuite AC monofazate și trifazate;
• Măsurarea valorilor efective ale curentului și tensiunii;
• Măsurarea factorului de putere;
• Puterea aparentă, activă și reactivă;
• Consumul de energie electrică;

Prin rulare vei găsi răspunsuri la primele două întrebări. această listă. Nu ating în mod deliberat problemele acurateței indicatorilor de măsurare, iar din această serie mă bucur doar de rezultatele obținute cu o precizie de pantofi de plus sau minus. Cu siguranță voi dedica un articol separat acestei probleme din a treia serie.

1. Conexiune senzor

În ultimul ciclu despre senzorii de tensiune și curent, am vorbit despre tipurile de senzori, dar nu am vorbit despre cum să le folosesc și unde să-i pun. Este timpul să o reparăm

Conectarea senzorilor DC

Este clar că întregul ciclu va fi dedicat sistemelor de curent alternativ, dar vom trece rapid peste circuitele de curent continuu, deoarece acest lucru ne poate fi util atunci când dezvoltăm surse de curent continuu. Luați de exemplu un convertor clasic PWM buck:


Fig 1. Convertor buck PWM
Sarcina noastră este să furnizăm o tensiune de ieșire stabilizată. În plus, pe baza informațiilor de la senzorul de curent, este posibil să se controleze modul de funcționare al inductorului L1, prevenind saturarea acestuia și, de asemenea, să se implementeze protecția curentului a convertorului. Și sincer, nu există opțiuni speciale pentru instalarea senzorilor.
La ieșirea convertizorului este instalat un senzor de tensiune sub forma unui divizor rezistiv R1-R2, care este singurul capabil să funcționeze cu curent continuu. De regulă, un cip convertor specializat are o intrare părere, și face toate eforturile pentru a se asigura că această intrare (3) are un anumit nivel de tensiune, prescris în documentația pentru microcircuit. De exemplu 1,25 V. Dacă noastre tensiunea de iesire coincide cu acest nivel - totul este în regulă - aplicăm direct tensiunea de ieșire la această intrare. Dacă nu, atunci setați divizorul. Dacă trebuie să furnizăm o tensiune de ieșire de 5V, atunci divizorul trebuie să furnizeze un factor de divizare de 4, adică, de exemplu, R1 = 30k, R2 = 10k.
Senzorul de curent este de obicei instalat între sursa de alimentare și convertor și pe cip. Prin diferența de potențial dintre punctele 1 și 2 și cu o rezistență cunoscută a rezistențelor Rs, este posibil să se determine valoarea curentă a curentului inductorului nostru. Instalarea unui senzor de curent între surse și sarcină nu este cea mai bună bună idee, deoarece condensatorul de filtru va fi întrerupt de un rezistor de la consumatorii de curenți pulsați. Instalarea unui rezistor într-o întrerupere a firului comun, de asemenea, nu este de bun augur - vor exista două niveluri de sol cu ​​care să vă încurcați este încă o plăcere.
Problemele căderii de tensiune pot fi evitate prin utilizarea senzorilor de curent fără contact - de exemplu, senzori Hall:


Fig 2. Senzor de curent fără contact
Cu toate acestea, există o modalitate mai dificilă de a măsura curentul. La urma urmei, tensiunea scade pe tranzistor în același mod și același curent trece prin el ca și inductanța. Prin urmare, valoarea curentului curent poate fi determinată și din căderea de tensiune pe el. Sincer să fiu, dacă te uiți la structura internă a microcircuitelor convertoare, de exemplu, de la Texas Instruments, atunci această metodă apare la fel de des ca și cele anterioare. Precizia acestei metode nu este cu siguranță cea mai mare, dar aceasta este suficientă pentru ca limita curentă să funcționeze.


Fig 3. Tranzistorul ca senzor de curent
Facem același lucru și în alte circuite de convertoare similare, fie că este vorba de boost sau invers.
Cu toate acestea, este necesar să se menționeze separat convertoarele înainte și invers ale transformatorului.


Figura 4. Conectarea senzorilor de curent în convertoarele flyback
De asemenea, pot folosi fie o rezistență externă, fie un tranzistor în rolul său.
În acest sens, am terminat cu conectarea senzorilor la convertoare DC. Dacă aveți sugestii pentru alte opțiuni, voi completa cu plăcere articolul cu ele.

1.2 Conectarea senzorilor la circuitele AC monofazate

În circuitele de curent alternativ, avem o selecție mult mai mare de posibili senzori. Să luăm în considerare mai multe opțiuni.
Cel mai simplu este să folosiți un divizor de tensiune rezistiv și un șunt de curent.


Figura 5. Conectarea senzorilor de rezistență
Cu toate acestea, are câteva dezavantaje semnificative:
În primul rând, fie vom furniza o amplitudine semnificativă a semnalului de la șuntul de curent, alocand o cantitate mare de putere asupra acestuia, fie ne vom mulțumi cu o amplitudine mică a semnalului și ulterior o vom amplifica. Și în al doilea rând, rezistența creează o diferență de potențial între neutrul rețelei și neutrul dispozitivului. Dacă dispozitivul este izolat, atunci nu contează, dar dacă dispozitivul are un terminal de masă, atunci riscăm să rămânem fără semnal de la senzorul de curent, deoarece îl vom scurtcircuita. Poate că merită să încerci senzori care funcționează pe alte principii.
De exemplu, vom folosi transformatoare de curent și de tensiune, sau un senzor de curent cu efect hall și un transformator de tensiune. Există mult mai multe oportunități de a lucra cu echipamente, deoarece firul neutru nu are pierderi și, cel mai important, în ambele cazuri există izolare galvanica echipamente de măsurare, care pot fi adesea la îndemână. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că senzorii de transformator de curent și tensiune au un răspuns în frecvență limitat și, dacă dorim să măsurăm compoziția armonică a distorsiunilor, atunci acesta nu este un fapt care ne va funcționa.


Fig 6. Conectarea transformatorului și a senzorilor de curent și tensiune fără contact

1.3 Conectarea senzorilor la circuitele multifazate ale rețelelor de curent alternativ

În rețelele polifazate, capacitatea noastră de a conecta senzori de curent este puțin mai mică. Acest lucru se datorează faptului că șuntul de curent nu poate fi folosit deloc, deoarece diferența de potențial dintre șunturile de fază va fluctua cu sute de volți și nu cunosc niciun controler de uz general ale cărui intrări analogice pot rezista la o asemenea batjocură.
O modalitate de a utiliza șunturile de curent este desigur - pentru fiecare canal trebuie să faceți o intrare analogică izolată galvanic. Dar este mult mai ușor și mai fiabil să folosești alți senzori.
În analizorul meu de calitate, folosesc divizoare de tensiune rezistive și senzori de curent la distanță bazați pe efectul hall.

Fig 7. Senzori de curent într-o rețea trifazată
După cum puteți vedea din figură, folosim o conexiune cu patru fire. Desigur, în loc de senzori de curent pe efectul de sală, puteți lua transformatoare de curent sau bucle Rogowski.
În loc de divizoare rezistive, pot fi folosite transformatoare de tensiune, atât pentru un sistem cu patru fire, cât și pentru un sistem cu trei fire.
În acest din urmă caz, înfășurările primare ale transformatoarelor de tensiune sunt conectate într-un triunghi, iar înfășurările secundare într-o stea, al cărui punct comun este punctul comun al circuitului de măsurare.


Figura 8. Utilizarea transformatoarelor de tensiune într-o rețea trifazată

2 Valoarea efectivă a curentului și tensiunii

Este timpul să rezolvăm problema măsurării semnalelor noastre. Semnificația practică pentru noi este în primul rând valoarea efectivă a curentului și tensiunii.
Permiteți-mi să vă reamintesc de materialul din ciclul senzorilor. Cu ajutorul ADC-ului microcontrolerului nostru, la intervale regulate, vom înregistra valoarea instantanee a tensiunii. Astfel, pentru perioada de măsurare, vom avea o serie de date cu privire la nivelul valorii tensiunii instantanee (totul este la fel pentru curent).


Figura 9. O serie de valori instantanee ale tensiunii
Sarcina noastră este să calculăm valoarea efectivă. Mai întâi, să folosim formula integrală:
(1)
LA sistem digital trebuie să ne limităm la un anumit cuantum de timp, așa că mergem la suma:
(2)
Unde este perioada de eșantionare a semnalului nostru și este numărul de mostre pe perioadă de măsurare. Undeva aici, în videoclip, încep să frământ jocul despre egalitatea zonelor. Ar fi trebuit să dorm în ziua aceea. =)
În microcontrolerele MSP430FE4252, care sunt utilizate în contoarele cu mercur monofazate, se fac 4096 de citiri pentru o perioadă de măsurare de 1, 2 sau 4 secunde. Ne vom baza pe T=1s și N=4096 în cele ce urmează. Mai mult, 4096 de puncte pe secundă ne vor permite să folosim algoritmi rapidi de transformare Fourier pentru a determina spectrul armonic până la armonica a 40-a, așa cum este cerut de GOST. Dar mai multe despre asta în episodul următor.
Să schițăm un algoritm pentru programul nostru. Trebuie să asigurăm o pornire stabilă a ADC la fiecare 1/8192 secundă, deoarece avem două canale și vom măsura aceste date alternativ. Pentru a face acest lucru, configurați un cronometru și semnalul de întrerupere va reporni automat ADC. Toate ADC-urile fac asta.
Vom scrie viitorul program pe arduino, deoarece mulți îl au la îndemână. Interesul nostru este pur academic.
Având o frecvență de cuarț de sistem de 16 MHz și un cronometru de 8 biți (pentru ca viața să nu pară miere), trebuie să asigurăm frecvența de funcționare a oricărei întreruperi de cronometru cu o frecvență de 8192 Hz.
Suntem tristi de faptul ca 16MHz nu este impartit atat cat avem nevoie, iar frecventa finala a cronometrului este de 8198Hz. Închidem ochii la eroarea de 0,04% și citim totuși 4096 de mostre pe canal.
Suntem tristi că întreruperea de overflow din arduino este ocupată cu calculul timpului (responsabilă pentru milis și întârziere, așa că aceasta nu va mai funcționa normal), așa că folosim întreruperea de comparație.
Și ne dăm seama brusc că semnalul ne vine bipolar și că msp430fe4252 îi face față perfect. Ne mulțumim cu un ADC unipolar, așa că asamblam un simplu convertor al unui semnal bipolar într-unul unipolar pe un amplificator operațional:


Fig 10. Convertor de semnal bipolar la unipolar
Mai mult, sarcina noastră este să asigurăm oscilația sinusoidei noastre în raport cu jumătate din tensiunea de referință - atunci fie vom scădea jumătate din interval, fie vom activa opțiunea din setările ADC și vom obține valorile semnului.
Arduino are un ADC de 10 biți, așa că dintr-un rezultat nesemnat între 0-1023 vom scădea jumătate și vom obține -512-511.
Verificăm modelul asamblat în LTSpiceIV și ne asigurăm că totul funcționează așa cum trebuie. În materialul video, suntem în plus convinși experimental.


Figura 11. Rezultatul simulării. Verde este semnalul original, albastru este ieșirea

Schiță pentru Arduino pentru un canal

void setup() (autoadcsetup(); DDRD |=(1<

Programul a fost scris în Arduino IDE pentru microcontrolerul ATmega1280. Pe placa mea de depanare, primele 8 canale sunt direcționate pentru nevoile interne ale plăcii, așa că este folosit canalul ADC8. Este posibil să utilizați această schiță pentru placa cu ATmega168, dar trebuie să selectați canalul corect.
În interiorul întreruperilor, distorsionăm câțiva pini de serviciu pentru a vedea vizual frecvența de lucru a digitizării.
Câteva cuvinte despre de unde provine coeficientul 102. La prima pornire, de la generator a fost furnizat un semnal de diverse amplitudini, indicația valorii tensiunii efective a fost citită de pe osciloscop, iar valoarea calculată a fost preluată de la consolă în unități ADC absolute.

Umax, V	Urms, V	Numărate
3	2,08	212
2,5	1,73	176
2	1,38	141
1,5	1,03	106
1	0,684	71
0,5	0,358	36
0,25	0,179	19

Împărțind valorile celei de-a treia coloane la valorile celei de-a doua, obținem o medie de 102. Acesta va fi coeficientul nostru de „calibrare”. Cu toate acestea, se poate observa că pe măsură ce tensiunea scade, precizia scade brusc. Acest lucru se datorează sensibilității scăzute a ADC-ului nostru. De fapt, 10 cifre pentru calcule precise sunt catastrofal de mici, iar dacă este destul de posibil să se măsoare tensiunea în priză în acest fel, atunci punerea unui ADC de 10 biți pentru a măsura curentul consumat de sarcină va fi o crimă împotriva metrologiei. .

În acest moment, vom rupe. În partea următoare, vom lua în considerare celelalte trei întrebări ale acestei serii și vom trece fără probleme la crearea dispozitivului în sine.

Firmware-ul prezentat, precum și alt firmware pentru această serie (din moment ce filmez videoclipuri mai repede decât pregătesc articole) se găsesc în depozitul de pe GitHub.

Măsurarea curenților continui este cel mai adesea efectuată de galvanometre magnetoelectrice, microampermetre, miliampermetre și ampermetre, a căror parte principală este un mecanism de măsurare magnetoelectric (metru). Dispozitivul unuia dintre modelele comune ale unui contor indicator este prezentat în fig. 1. Contorul conține un magnet în formă de potcoavă 1. În spațiul de aer dintre piesele sale polare 2 și miezul cilindric fix 5, realizat dintr-un material moale magnetic, se creează un câmp magnetic uniform, ale cărui linii de inducție sunt perpendiculare până la suprafața miezului. Cadrul 4 este plasat în acest gol, înfășurat cu un fir subțire izolat de cupru (0,02 ... 0,2 mm în diametru) pe o hârtie ușoară sau cadru din aluminiu de formă dreptunghiulară. Cadrul poate fi rotit împreună cu axa 6 și săgeata 10, al cărei capăt se deplasează deasupra scalei. Arcurile spiralate plate 5 servesc pentru a crea un moment care contracarează rotația cadrului, precum și pentru a furniza curent cadrului. Un arc este fixat între ax și carcasă. Al doilea arc este atașat la un capăt la axă, iar la celălalt capăt la pârghia corector 7, a cărei furcă acoperă tija excentrică a șurubului 8. Prin rotirea acestui șurub, săgeata este setată la diviziunea zero a șurubului. scară. Contragreutățile 9 sunt folosite pentru a echilibra partea mobilă a contorului pentru a stabiliza poziția săgeții la schimbarea poziției dispozitivului.

Orez. 1. Dispozitivul mecanismului de măsurare magnetoelectric.

Curentul măsurat, care trece prin bobinele cadrului, interacționează cu câmpul magnetic al magnetului permanent. Cuplul creat în acest caz, a cărui direcție este determinată de regula cunoscută a mâinii stângi, face ca cadrul să se rotească într-un astfel de unghi în care este echilibrat de momentul de contracarare care apare atunci când arcurile 5 sunt răsucite. Datorită uniformității câmpului magnetic constant în spațiul de aer, cuplul și, prin urmare, abaterile unghiului săgeții sunt proporționale cu curentul care curge prin cadru. Prin urmare, dispozitivele magnetoelectrice au scale uniforme. Alte cantități care afectează valoarea cuplului - inducția magnetică în întrefier, numărul de spire și aria cadrului - rămân constante și, împreună cu forța elastică a arcurilor, determină sensibilitatea contorului.

La rotirea cadrului, în cadrul acestuia din aluminiu sunt induși curenți, a căror interacțiune cu câmpul unui magnet permanent creează un cuplu de frânare care calmează rapid partea în mișcare a contorului (timpul de stabilire nu depășește 3 s).

Contoarele sunt caracterizate de trei parametri electrici: a) curentul total de deformare Ii, determinând deformarea indicatorului până la capătul scalei; b) tensiunea de abatere totală Ui, adică tensiunea de pe cadrul contorului, care creează un curent Ii în circuitul său; c) rezistența internă Ri, care este rezistența cadrului. Acești parametri sunt interconectați prin legea lui Ohm:

În instrumentele de măsurare radio, se folosesc diverse tipuri de contoare magnetoelectrice, al căror curent total de abatere se află de obicei în intervalul 10 ... 1000 μA. Contoarele al căror curent total de abatere nu depășește 50-100 μA sunt considerate extrem de sensibile.

Unele contoare sunt echipate cu un șunt magnetic sub forma unei plăci de oțel, care poate fi adusă mai aproape de suprafețele terminale ale pieselor polare și magnet sau departe de acestea. În acest caz, curentul abaterii totale I va scădea sau crește într-un interval mic, din cauza unei modificări a fluxului magnetic care acționează asupra cadrului datorită ramificării unei părți din fluxul magnetic total prin șunt.

Tensiunea totală de deviere Ui pentru majoritatea contoarelor este în intervalul 30-300 mV. Rezistența cadrului R și depinde de perimetrul cadrului, de numărul de spire și de diametrul firului. Cu cât contorul este mai sensibil, cu atât mai multe spire ale unui fir mai subțire are cadrul său și cu atât rezistența sa este mai mare. O creștere a sensibilității contoarelor se realizează și prin folosirea de magneți mai puternici, rame fără cadru, arcuri cu un mic moment de contracarare și suspendarea părții mobile pe vergeturi (două fire subțiri).

La contoarele sensibile cu rame fără cadru, săgeata, deviind sub acţiunea curentului care trece prin cadru, face o serie de oscilaţii înainte de a se opri în poziţia de echilibru. Pentru a reduce timpul de așezare al săgeții, cadrul este șuntat cu un rezistor cu o rezistență de ordinul a mii sau sute de ohmi. Rolul acestuia din urmă este uneori îndeplinit de circuitul electric al dispozitivului, conectat paralel cu cadrul.

Contoarele cu rame mobile vă permit să obțineți unghiul de deviere completă a săgeții până la 90-100 °. Contoarele de dimensiuni mici sunt uneori realizate cu un cadru fix și un magnet în mișcare montat pe aceeași axă cu indicatorul. În acest caz, este posibil să creșteți unghiul de deviere completă a săgeții la 240°.

Contoarele deosebit de sensibile folosite pentru a măsura curenți foarte mici (mai puțin de 0,01 μA) și tensiuni (mai puțin de 1 μV) se numesc galvanometre. Sunt adesea folosiți ca indicatori nuli (indicatori ai absenței curentului sau tensiunii în circuit) atunci când se măsoară prin metode de comparație. După metoda de citire, se disting galvanometrele indicator și oglindă; la acesta din urmă, riscul de referință pe scară este creat folosind un fascicul de lumină și o oglindă montate pe partea mobilă a dispozitivului.

Contoarele magnetoelectrice sunt potrivite pentru măsurători numai pe curent continuu. O modificare a direcției curentului în cadru duce la o schimbare a direcției cuplului și la devierea săgeții în direcția opusă. Când contorul este conectat la un circuit de curent alternativ cu o frecvență de până la 5-7 Hz, săgeata va oscila continuu în jurul zero a scalei cu această frecvență. La o frecvență de curent mai mare, sistemul în mișcare, datorită inerției sale, nu are timp să urmărească modificările curentului și acul rămâne în poziția zero. Dacă un curent pulsatoriu trece prin contor, atunci abaterea săgeții este determinată de componenta constantă a acestui curent. Pentru a elimina fluctuația săgeții, contorul este manevrat cu un condensator capacitate mare.

Contoarele proiectate să funcționeze într-un circuit de curent continuu, a cărui direcție este neschimbată, au o scară unilaterală, unul dintre capete este diviziunea zero. Pentru a obține deviația corectă a săgeții, este necesar ca curentul să circule prin cadru în direcția de la borna marcată „+” la borna marcată „-”. Contoarele destinate funcționării în circuite de curent continuu, a căror direcție se poate schimba, sunt furnizate cu o scară cu două fețe, a cărei diviziune zero este de obicei situată în mijloc; când curentul curge în dispozitiv de la terminalul „+” la terminalul „-”, săgeata deviază spre dreapta.

Contoarele magnetoelectrice rezistă la suprasarcină pe termen scurt, de până la 10 ori Iu curent și de 3 ori la suprasarcină pe termen lung. Nu sunt sensibile la câmpurile magnetice externe (datorită prezenței unui câmp magnetic intern puternic), consumă puțină energie în timpul măsurătorilor și pot fi efectuate în toate clasele de precizie.

Pentru măsurători pe curent alternativ se folosesc contoare magnetoelectrice împreună cu convertoare semiconductoare, electronice, fotoelectrice sau termice; Împreună formează dispozitive respectiv redresoare, electronice, fotovoltaice sau termoelectrice.

În instrumentele de măsură se folosesc uneori contoare electromagnetice, electrodinamice și ferodinamice, care sunt potrivite pentru măsurarea directă atât a curenților continui, cât și a curenților alternativi rms având o frecvență de până la 2,5 kHz. Cu toate acestea, aceste tipuri de contoare sunt semnificativ inferioare contoarelor magnetoelectrice în ceea ce privește sensibilitatea, precizia și consumul de energie în timpul măsurătorilor. În plus, au o scară neuniformă, comprimată în partea inițială, și sunt sensibile la efectele câmpurilor magnetice externe, pentru a slăbi care trebuie să folosească scuturi magnetice și a complica proiectarea dispozitivelor.

Determinarea parametrilor electrici ai contoarelor magnetoelectrice

Când se utilizează un mecanism de măsurare de tip necunoscut ca instrument magnetoelectric, parametrii acestuia din urmă - curentul total de deviație Ii și rezistența internă Ri - trebuie să fie determinați empiric.

Orez. 2. Scheme de măsurare a parametrilor electrici ai contoarelor magnetoelectrice

Rezistența cadrului R și poate fi măsurată aproximativ cu un ohmmetru având limita de măsurare necesară. La verificarea contoarelor foarte sensibile, trebuie avută grijă, deoarece curentul mare al ohmmetrului le poate deteriora. Dacă se folosește un ohmmetru de baterie cu limite multiple, atunci măsurarea trebuie începută de la cea mai înaltă limită de rezistență, la care curentul din circuitul de alimentare al ohmmetrului este cel mai mic. Trecerea la alte limite este permisă numai dacă acest lucru nu face ca acul de măsurare să iasă din scară.

Suficient de precis, parametrii contorului pot fi determinați conform schemei din Fig. 2, a. Circuitul este alimentat de la o sursă de tensiune constantă B prin rezistorul R1, care servește la limitarea curentului din circuit. Rheostat R2 realizează abaterea acului contorului și la scară completă. În același timp, valoarea curentului Ii este numărată în funcție de baza de apel μA de exemplu (de referință) microampermetru (miliametru) μA). Apoi, o casetă de rezistență de referință Ro este conectată în paralel cu contorul, prin modificarea rezistenței căreia curentul prin contor este redus de exact două ori față de curentul din circuitul comun. Aceasta va avea loc la rezistența Ro = R și. În loc de un depozit de rezistență, puteți utiliza orice rezistor variabil, urmat de măsurarea rezistenței sale Ro = R și folosind un ohmmetru sau o punte DC. De asemenea, este posibil să se conecteze un rezistor nereglat în paralel cu contorul cu o rezistență cunoscută R, de preferință apropiată de rezistența așteptată R și; atunci valoarea acestuia din urmă este determinată de formula

R și \u003d (I / I1 - 1) * R,

unde I și I1 sunt curenții măsurați, respectiv, de dispozitivele μA și I.

Dacă contorul AND are o scară uniformă care conține diviziuni αp, atunci puteți aplica circuitul prezentat în Fig. 2b. Parametrii doriti ai contorului sunt calculați prin formulele:

Ii \u003d U / (R1 + R2) * αp / α1; Ri = (α2 * R2)/(α1-α2) - R1,

unde U este tensiunea de alimentare măsurată de voltmetrul V, α1 și α2 sunt citirile de pe scara contorului când comutatorul B este setat pe pozițiile 1 și, respectiv, 2, iar R1 și R2 sunt rezistențele cunoscute ale rezistențelor, care sunt luate aproximativ aceleași denumiri. Eroarea de măsurare este cu atât mai mică, cu atât citirea α1 este mai aproape de sfârșitul scalei, ceea ce se realizează printr-o alegere adecvată a rezistenței

Miliampermetre și ampermetre magnetoelectrice

Contoarele magnetoelectrice, atunci când sunt conectate direct la circuite electrice, pot fi utilizate numai ca microampermetre de curent continuu cu o limită de măsurare egală cu curentul total de deviație Ii. Pentru a extinde limita de măsurare, contorul And este conectat la circuitul de curent în paralel cu șuntul - un rezistor de rezistență scăzută Rsh (Fig. 3); în acest caz, doar o parte din curentul măsurat va curge prin contor și cu cât este mai mică, cu atât rezistența Rsh este mai mică în comparație cu rezistența contorului Ri. În măsurătorile electronice, limita maximă necesară pentru măsurarea curenților continui depășește rar 1000 mA (1 A).

La valoarea limită aleasă a curentului măsurat Ip, curentul total de abatere Ii trebuie să circule prin contor; aceasta va avea loc la rezistența la șunt

Rsh \u003d R și: (Ip / Ii - 1). (unu)

De exemplu, dacă este necesară extinderea limitei de măsurare a unui microampermetru de tip M260, care are parametrii Ip = 0,2 mA și Ri = 900 Ohm, la valoarea Ip = 20 mA, este necesar să se folosească un șunt cu o rezistență. de Rsh = 900 / (100-1) = 9,09 Ohm.

Orez. 3. Schema de calibrare a unui miliampermetru magnetoelectric (ampermetru)

Shunturile pentru miliampermetre sunt realizate din sârmă de manganină sau constantan. Datorită rezistivității ridicate a materialului, dimensiunile șunturilor sunt mici, ceea ce le permite să fie conectate direct între clemele dispozitivului în interiorul sau în exteriorul carcasei acestuia. Dacă valoarea curentului Ip este cunoscută (în amperi), atunci diametrul firului de șunt d (în milimetri) este selectat din condiția

d >= 0,92 I p 0,5 , (2)

timp în care densitatea de curent în şunt nu depăşeşte 1,5 A/mm 2 . De exemplu, un șunt miliampermetru cu o limită de măsurare de Ip = 20 mA ar trebui să fie realizat din sârmă cu un diametru de 0,13 mm.

După ce am luat un fir cu diametrul adecvat d (în milimetri), lungimea acestuia (în metri), necesară pentru fabricarea unui șunt cu rezistență Rsh (în ohmi), se găsește aproximativ prin formula

L = (1,5...1,9)d 2 * Rsh (3)

si se regleaza precis la pornirea aparatului conform schemei din fig. 3 în serie cu miliametrul de referință mA.

Shunturile pentru curenți mari (la ampermetre) sunt de obicei realizate din folie de manganin. Pentru a elimina influența rezistențelor de contact și a rezistențelor conductoarelor de conectare, astfel de șunturi au patru cleme (Fig. 4, a). Clemele externe masive se numesc curent și servesc la includerea unui șunt în circuitul curentului măsurat. Clemele interne se numesc potențial și sunt concepute pentru a conecta contorul. Acest design elimină, de asemenea, posibilitatea deteriorării contorului prin curent mare în cazul deconectarii accidentale a șuntului.

Pentru a reduce eroarea de măsurare a temperaturii cauzată de dependența diferită de temperatură a rezistențelor cadrului contorului și șuntului, un rezistor de manganin Rk este conectat în serie cu contorul (Fig. 4, b); eroarea scade de câte ori crește rezistența circuitului contorului. Rezultate și mai bune sunt obținute prin includerea unui termistor Rk cu un coeficient de rezistență negativ la temperatură. Când se calculează un dispozitiv cu compensare de temperatură, rezistența R și în formulele de calcul trebuie înțelese ca rezistența totală a contorului și a rezistenței Rk.

Orez. Fig. 4. Scheme de pornire a unui șunt pentru curenți mari (a) și a unui element de compensare a temperaturii (b)

Luând în considerare influența șuntului, rezistența internă a miliampermetrului (ampermetrului)

Rma \u003d R și Rsh / (R și + Rsh). (4)

Pentru a asigura o precizie suficient de mare într-o gamă largă de curenți măsurați, dispozitivul trebuie să aibă mai multe limite de măsurare; acest lucru se realizează prin utilizarea unui număr de șunturi comutabile proiectate pentru diferite valori ale curentului limită Ip.

Factorul de tranziție al scalei N este raportul dintre valorile limită superioară a două limite de măsurare adiacente. Cu N = 10, ca, de exemplu, într-un miliampermetru cu patru limite cu limite de 1, 10, 100 și 1000 mA, scara dispozitivului, realizată pentru una dintre limite (1 mA), poate fi utilizată cu ușurință pentru a măsurați curenții la limitele rămase prin înmulțirea citirii cu multiplicatorul corespunzător este 10, 100 sau 1000. În acest caz, domeniul de măsurare va ajunge la 90% din domeniul de citire, ceea ce va duce la o creștere vizibilă a erorii de măsurare a celor. valorile curente care corespund citirilor de pe secțiunile inițiale ale cântarilor.

Orez. 5. Cântare ale miliampermetrelor magnetoelectrice cu limite multiple

Pentru a îmbunătăți acuratețea măsurătorilor în unele dispozitive, valorile limită ale curenților măsurați sunt selectate dintr-un număr de numere 1, 5, 20, 100, 500 etc., folosind o scară comună cu mai multe rânduri de semne numerice pentru citire (Fig. 5, a). Uneori, valorile limită sunt alese dintr-un număr de numere 1, 3, 10, 30, 100 etc., ceea ce face posibilă excluderea citirii pe prima treime a scalei; totuși, scara trebuie să aibă două rânduri de note gradate în multipli de 3 și, respectiv, 10 (Fig. 5, b).

Comutarea șunturilor, necesară pentru trecerea de la o limită de măsurare la alta, poate fi efectuată prin intermediul unui comutator atunci când este utilizat la toate limitele bornelor comune de intrare (Fig. 6) sau folosind un sistem de prize împărțite, jumătățile dintre care sunt interconectate printr-un ștecher metalic al cordonului de măsurare (Fig. 7 ). O caracteristică a schemelor din fig. 6, b și 7, b este că șuntul fiecărei limite de măsurare include rezistențe de șunt ale altor limite mai puțin sensibile.

Orez. 6. Scheme de miliampermetre multi-limită cu comutatoare pentru limite de măsurare.

Când comutați sub curentul limitei de măsurare a dispozitivului, este posibilă deteriorarea contorului dacă se dovedește a fi inclusă pentru scurt timp fără șunt în circuitul curentului măsurat. Pentru a evita acest lucru, proiectarea comutatoarelor (Fig. 6) trebuie să asigure trecerea de la un contact la altul fără întreruperea circuitului. În consecință, designul prizelor împărțite (Fig. 7) ar trebui să permită ștecherului cablului de măsurare, atunci când este pornit, să se închidă inițial cu șuntul și apoi cu circuitul contorului.

Orez. 7. Scheme de miliampermetre multilimită cu comutare tip mufă și priză a limitelor de măsurare.

Pentru a proteja contorul de supraîncărcări periculoase, este uneori plasat în paralel cu acesta un buton Kn cu contact NC (Fig. 7, b); contorul este inclus în circuit doar atunci când butonul este apăsat. Mod eficient protejarea contoarelor sensibile este prin manevrarea lor (în direcția înainte) cu diode semiconductoare special selectate; în acest caz, însă, este posibilă o încălcare a uniformității scalei.

În comparație cu dispozitivele cu șunturi comutabile, dispozitivele multi-gamă cu șunturi universale sunt mai fiabile în funcționare. Un șunt universal este un grup de rezistențe conectate în serie, care împreună cu contorul formează un circuit închis (Fig. 8). Pentru conectarea la circuitul studiat, se utilizează un terminal negativ comun și un terminal conectat la unul dintre robinetele de derivație. Acest lucru creează două ramuri paralele. De exemplu, când comutatorul B este setat în poziția 2 (Fig. 8, a), o ramură include rezistențele secțiunii active a șuntului, care are o rezistență Rsh.d = Rsh.d = Rsh.d = Rsh. 2 + Rsh. Rezistența Rsh.d trebuie să fie astfel încât la limita curentului măsurat Ip, curentul total de deviație Ii să circule prin contor. În general

Rsh.d \u003d (Rsh + Ri) (Ii / Ip). (5)

unde Rsh = Rsh1 + Rsh2 + Rsh3 + ... este impedanța șuntului.

Șuntul universal în ansamblu îndeplinește funcția unui șunt de funcționare la limita 1, care corespunde celei mai mici valori limită a curentului măsurat Ip1; rezistența acestuia poate fi calculată prin formula (1). Dacă sunt selectate limite de măsurare Ip2 = = N12*Ip1; Ip3 \u003d N23 * Ip2; Ip4 \u003d N34 * Ip3 etc., atunci rezistența secțiunilor individuale ale șuntului este determinată de expresiile:

Rsh2 + Rsh3 + Rsh4 + ... = Rsh / N12;

Rsh3 + Rsh4 + ... = Rsh/(N12*N23);

Rsh4 + ... = Rsh / (N12 * N23 * N34), etc. Diferența de rezistență de la două egalități adiacente vă permite să determinați rezistența componentelor individuale ale șuntului Rsh1, Rsh2, Rsh3 etc.

Orez. 8. Scheme de miliampermetre multi-gamă cu șunturi universale

Din expresiile de mai sus se poate observa că factorii de tranziție N12, N23, N34 etc. sunt în întregime determinați de raportul rezistențelor secțiunilor individuale ale șuntului și sunt complet independenți de datele contorului. Prin urmare, același șunt universal, conectat în paralel la contoare diferite, își va schimba limitele de același număr de ori; în acest caz, limita inițială de măsurare este determinată de formulă

Ip1 \u003d Ii * (Ri / Rsh + 1). (6)

Din diagramele din fig. 8 arată că la dispozitivele cu șunturi universale limitele de măsurare pot fi selectate atât cu ajutorul întrerupătorilor, cât și prin intermediul prizelor de tip obișnuit. Ruperea contactului în aceste circuite este sigură pentru contor. Dacă valoarea aproximativă a curentului care trebuie măsurat este necunoscută, atunci înainte de a conecta dispozitivul multirange la circuitul studiat, trebuie setată cea mai înaltă limită superioară a măsurătorilor,

Graduarea miliampermetrelor și ampermetrelor magnetoelectrice

Calibrarea unui instrument de măsurare constă în determinarea caracteristicii sale de calibrare, adică a relației dintre valorile mărimii măsurate și citirile dispozitivului de citire, exprimate sub forma unui tabel, grafic sau formulă. În practică, gradarea unui instrument indicator este completată prin trasarea diviziunilor pe scara sa care corespund anumitor valori numerice ale valorii măsurate.

Pentru dispozitivele magnetoelectrice cu scale uniforme, sarcina principală a calibrării este de a stabili corespondența diviziunii finale a scalei cu valoarea limită a valorii măsurate, care se poate face folosind un circuit similar celui prezentat în Fig. 3. Dispozitivul de calibrat este conectat la bornele 1 și 2. Folosind reostatul R din circuitul alimentat de o sursă de curent continuu, setați valoarea limită a curentului Ip pe dispozitivul de referință mA și marcați punctul de pe scară la pe care săgeata contorului se abate Și. Dacă dispozitivul calibrat are o limită, atunci orice punct din apropierea opritorului care limitează mișcarea indicatorului poate fi luat drept punct final al scalei. La instrumentele multilimită cu mai multe scale, o astfel de alegere arbitrară a sfârșitului scalei se poate face doar la o singură limită, luată ca fiind cea inițială.

Dacă săgeata de la Ip curent nu se află la diviziunea finală a scalei, dispozitivul trebuie reglat. La instrumentele cu limită unică sau la limita inițială a unui instrument cu limite multiple, această reglare se poate face folosind un șunt magnetic. În absența acestora din urmă, reglarea se realizează prin reglarea rezistențelor șunturilor. Dacă la curentul Ip săgeata nu atinge diviziunea finală, atunci rezistența șuntului Rsh ar trebui mărită; când săgeata iese din scară, rezistența șuntului este redusă.

La calibrarea instrumentelor multi-gamă care funcționează conform schemelor prezentate în fig. 6, b, 7, b și 8, șunturile trebuie reglate într-o anumită ordine, începând cu rezistența de șunt Rsh, corespunzătoare curentului limită cel mai mare Ip3; apoi se reglează succesiv rezistenţele şunturilor Rsh2 şi Rsh1. La comutarea limitelor, poate fi necesară înlocuirea dispozitivului de referință, a cărui limită superioară de măsurare trebuie să fie în toate cazurile egală cu sau să depășească puțin valoarea limită a scalei gradate.

Cunoscând pozițiile diviziunilor inițiale și finale ale unei scale uniforme, este ușor de determinat pozițiile tuturor diviziunilor intermediare. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere că pentru unele dispozitive magnetoelectrice, din cauza defectelor de proiectare sau a caracteristicilor circuitului de măsurare, este posibil să nu existe o proporționalitate exactă între deplasarea unghiulară a indicatorului și curentul măsurat. Prin urmare, este de dorit să se verifice gradarea scalei în mai multe puncte intermediare prin schimbarea curentului cu un reostat R. Rezistorul Ro servește la limitarea curentului din circuit.

Calibrarea trebuie efectuată cu instrumentul complet asamblat și în condiții normale de funcționare. Punctele de referință rezultate se aplică pe suprafața scalei cu un creion ascuțit (cu sticla scoasă din carcasa contorului) sau se fixează conform semnelor cântarei instrumentului existent. Dacă cântarul vechi al contorului este inutilizabil, atunci o nouă cântare este făcută din hârtie groasă și netedă, care este lipită de locul vechii cântare cu adeziv care este rezistent la umiditate. Poziția noii cântar trebuie să corespundă strict cu poziția ocupată de vechea cântare la calibrarea instrumentului. Rezultate bune se realizează prin desenarea unei scale cu cerneală neagră la scară mărită, urmată de realizarea unei fotocopii la dimensiunea cerută.

Discutat mai sus principii generale gradările sunt aplicabile săgeții instrumente de masuraîn diverse scopuri.

Caracteristici de măsurare a curentului continuu

Pentru a măsura curentul, un dispozitiv (de exemplu, un miliampermetru) este conectat în serie la circuitul studiat; aceasta duce la o creștere a rezistenței totale a circuitului și la o scădere a curentului care circulă în acesta. Gradul acestei scăderi este estimat (în procente) prin coeficientul de influență al miliampermetrului

Vma \u003d 100 * Rma / (Rma + Rc),

unde Rц este rezistența totală a circuitului dintre punctele de conectare ale dispozitivului (de exemplu, bornele 1 și 2 din diagrama din fig. 3).

Înmulțind numărătorul și numitorul din dreapta formulei cu valoarea curentului din circuitul I și având în vedere că I * Rma este căderea de tensiune pe miliampermetrul Uma, iar I (Rma + Rc) este egal cu emf. E, acţionând în schema studiată, obţinem

Vma \u003d 100 * Uma / E.

Într-un lanț complex (ramificat) sub e. d.s. E trebuie să înțelegeți tensiunea în circuit deschis între punctele de întrerupere la care dispozitivul ar trebui să fie conectat.

Valoarea limită a tensiunii Uma este căderea de tensiune pe dispozitivul Up, ceea ce face ca săgeata acestuia să se abate spre marcajul de capăt al scalei. Prin urmare, valoarea maximă posibilă a coeficientului de influență la utilizarea acestui dispozitiv

Bp = 100Up/E. (7)

Din formulele de mai sus rezultă că e mai mic. d.s. E, cu atât dispozitivul afectează mai mult curentul măsurat. De exemplu, dacă Up / E \u003d 0,1, atunci Vp \u003d 10%, adică pornirea dispozitivului poate provoca o scădere a curentului în circuit cu 10%; la Up/E = 0,01, scăderea curentului nu depășește 1%. Prin urmare, atunci când se măsoară curentul de filament al tuburilor radio sau curentul emițătorului tranzistoare ar trebui să vă așteptați la o schimbare mult mai mare a curentului în circuit decât atunci când măsurați curentul anod, scut sau colector. De asemenea, este evident că, la aceleași limite de măsurare, curentul măsurat este mai puțin afectat de dispozitiv, caracterizat printr-o tensiune mai mică Up. În miliampermetrele cu limite multiple cu șunturi comutabile (Fig. 6 și 7), la toate limitele de măsurare, căderea maximă de tensiune pe dispozitiv este aceeași și egală cu tensiunea abaterii totale a contorului, adică Up \u003d Ui \ u003d Ii / Ri, iar puterea consumată de dispozitiv este limitată de valoare

Pp = IiUi = Ip * Ii * Ri. În miliametri cu șunturi universale (Fig. 8), căderea de tensiune pe dispozitiv este egală cu Ii * Ii numai la limita inițială de 1. La alte limite, crește la valoarea Up ≈ Ii * (Rp + Rsh) ( cu o creștere a puterii consumate de dispozitiv în (Ri + Rsh) / R și ori), deoarece este suma căderilor de tensiune de pe contor și secțiunea șuntului conectată în serie cu acesta. Prin urmare, un dispozitiv cu șunt universal, ceteris paribus, are un efect mai puternic asupra regimului circuitelor studiate decât un dispozitiv cu șunturi comutate.

Dacă luăm rezistența totală a șuntului universal Rsh >> Ri, atunci limita inferioară a miliametrului va fi aproape de Ii, cu toate acestea, la alte limite, căderea de tensiune pe dispozitiv poate fi excesiv de mare. Dacă luăm rezistența Rsh mică, atunci cel mai mic curent de limitare Ip1 al dispozitivului va crește. Prin urmare, în fiecare caz specific, este necesar să se decidă asupra valorii admisibile a rezistenței de șunt Rsh.

Atunci când un dispozitiv magnetoelectric este conectat la un circuit de curent pulsat sau pulsat, pentru a măsura componenta constantă a acestui curent, este necesar să conectați un condensator de mare capacitate în paralel cu dispozitivul, care are o rezistență pentru componenta de curent alternativ. adică mult mai mică decât rezistența internă a dispozitivului Rma. Pentru a elimina influența capacității dispozitivului față de corpul instalației studiate, locul de includere a dispozitivului în circuite de înaltă frecvență se alege astfel încât unul dintre bornele acestuia să fie conectat direct sau prin un condensator de mare capacitate la corp.

În unele cazuri, șunturile permanente sunt incluse în diferite circuite ale dispozitivului radio-electronic studiat, ceea ce face posibilă, folosind același contor magnetoelectric, controlul curenților din aceste circuite la rândul lor fără a le întrerupe.

Sarcina 1. Calculați circuitul unui miliampermetru cu șunt universal (Fig. 8) pentru trei limite de măsurare: 0,2; 2 si 20 mA cu factor de tranzitie N = 10. Aparatul de masura al aparatului - microampermetru tip M94 - are urmatoarele date: Ii = 150 μA = 0,15 mA, Ri = 850 Ohm, Ui = Ii / Ri = 0,128 V. Pentru fiecare limită, găsiți căderea de tensiune pe dispozitiv la curentul de limitare, precum și influența maximă posibilă a dispozitivului asupra curentului măsurat, dacă de exemplu. d.s. E = 20 V.

1. La limita 1 (Ip1 = 0,2 mA), șuntul către contor este un șunt universal în ansamblu. Rezistența totală a acestuia din urmă, determinată prin formula (1), Rsh = 2550 Ohm.

Căderea de tensiune pe dispozitiv la curentul de limitare Up1 = Ui = 0,128 V. Coeficientul de influență maxim posibil al miliampermetrului Vp1 = (Up1 / E) * 100 = 0,64%.

2. Pentru limita 2 (Ip2 = 2 mA), rezistența secțiunii de șunt a șuntului universal este Rsh2+ Rsh3 = Rsh/N = 255 Ohm. Prin urmare, rezistența Rsh1 = Rsh - (Rsh2 + Rsh3) = 2295 Ohm.

Căderea limită de tensiune pe dispozitiv Up2 = Ii / (Ri + Rsh1) = 0,727 V. Coeficientul limitator de influență Vp2 = 100 * Up2 / E = 3,63%.

3. Pentru limita 3 (Ip3 = 20 mA) Rsh3 = Rsh / N 2 = 25,5 Ohm; Rsh2 = 255-25,5 = 229,5 Ohm; Up3 \u003d Ip * (Ri + Rsh1 + Rsh2) \u003d 0,761 V; Vp3 \u003d 100 * n3 / E \u003d 3,80%.

Sarcina 2. Calculați circuitul unui miliampermetru cu șunt universal pentru trei limite de măsurare: 5, 50 și 500 mA. Contorul aparatului - un microampermetru de tip M260M - are următoarele date: Ii = 500 μA, Ri = 150 Ohm. Determinați efectul dispozitivului asupra curentului măsurat, dacă se fac măsurători între 5 și 50 mA în circuite în care e. d.s. nu mai puțin de 200 V și la limita de 500 mA - în circuitul de filament al unui tub radio alimentat de o baterie cu fem. 6 V.

Răspuns: Rsh \u003d 16,67 ohmi; Rsh1 = 15 Ohm; Rsh2= 1,5 Ohm; Rsh3=0,17 Ohm; Up1 = 75 mV; Vp1 = 0,037%; Up2 = 82,5 mV; Vp2 = 0,041%; Up3 = 83 mV; Vp3= 1,4%.

Răspuns: 1) Rsh1 = 16,67 Ohm; Rsh2 = 1,52 0m; Rsh3=0,15 Ohm; 2) Rsh1 = 15,15 Ohm; Rsh2= 1,37 Ohm; Rsh3 = 0,15 Ohm.

Microampermetre cu tranzistori DC

Dacă este necesar să se măsoare curenți foarte mici, mult mai mici decât curentul total de deviație I și contorul magnetoelectric existent, acesta din urmă este utilizat împreună cu un amplificator de curent continuu. Cele mai simple și mai economice sunt amplificatoarele cu tranzistori bipolare. Amplificarea curentului poate fi realizată prin pornirea tranzistoarelor în circuite cu un emițător comun și un colector comun, dar primul circuit este de preferat, deoarece asigură o impedanță de intrare mai mică a amplificatorului.

Orez. 9. Scheme ale microampermetrelor DC cu un singur tranzistor

Cel mai simplu circuit al unui microampermetru cu un singur tranzistor alimentat de o sursă cu fem. E \u003d 1,5 ... 4,5 V, prezentat în fig. 9a, linii continue. Curentul de bază Ib este curentul măsurat, la o anumită valoare nominală a căruia Iн, în circuitul colector circulă un curent Ik, egal cu curentul total de abatere Ii al contorului I. Bst. De exemplu, când se utilizează un tranzistor de tip GT115A cu Vst = 60 și un contor de tip M261 cu un curent Ii = 500 μA, curentul nominal In = 500/60 ≈ 8,3 μA. Deoarece relația dintre curenții Ik și Ib este aproape liniară, scara contorului, calibrată în valorile curentului măsurat, va fi aproape uniformă (cu excepția unei mici secțiuni inițiale a scalei de până la 10% de lungimea acestuia). Prin conectarea unui șunt special selectat între bornele de intrare, este posibilă creșterea curentului de limitare măsurat la o valoare convenabilă pentru calcule (de exemplu, până la 10 μA).

LA circuite reale microampermetrele cu tranzistori iau măsuri care vizează stabilizarea modului de funcționare și corectarea eventualelor abateri ale acestuia. În primul rând, este inacceptabil (mai ales la o tensiune de alimentare crescută) deschiderea circuitului de bază a tranzistorului, ceea ce poate apărea în timpul măsurătorilor. Prin urmare, baza este conectată la emițător printr-un rezistor de rezistență mic sau, așa cum se arată prin linia întreruptă din Fig. 9, a, c polul negativ sursă printr-un rezistor Rb cu o rezistență de ordinul sutelor de kilo-ohmi. În acest din urmă caz, la bază se aplică o tensiune de polarizare, care stabilește modul de funcționare al amplificatorului. Apoi, pentru a regla curentul nominal necesar (să presupunem 10 μA pentru exemplul de mai sus), un rezistor de reglare Rsh = (2 ... 5) R și este conectat în paralel cu contorul (sau în serie cu acesta).

De remarcat că în absența unui curent măsurat, curentul inițial de colector Ik.n va circula prin contor, ajungând la 5-20 μA și datorită prezenței unui curent invers necontrolat de colector Ik.o și curent în bază. circuit de rezistență Rb. Acțiunea curentului Ik.n poate fi compensată prin setarea acul contorului la zero cu un corector mecanic al dispozitivului. Cu toate acestea, este mai rațional să se efectueze o setare electrică la zero înainte de a începe măsurătorile, de exemplu, folosind o baterie auxiliară E0 și un reostat R0 = (5 ... 10) Rand, creând un curent de compensare I0 în circuitul contorului, egal în valoare, dar inversă în direcția curentului Iк.n. În loc de două surse de alimentare, se poate folosi una (Fig. 9, b), prin conectarea în paralel a unui divizor de tensiune din două rezistențe R1 și R2 cu rezistențe de ordinul sutelor de ohmi. Acesta formează un circuit de punte DC (vezi Fig. Metoda punte pentru măsurarea rezistenței electrice), care este echilibrată de o modificare a rezistenței unuia dintre brațe (R0).

Nevoia de complexitate schema originală amplificator cu un singur tranzistor duce la faptul că câștigul de curent

Ki = Ui/In (8)

se dovedește a fi mai mic decât coeficientul de transfer de curent Vst al tranzistorului utilizat. În plus, funcționarea fiabilă a unui microampermetru cu tranzistor poate fi asigurată numai dacă Ki<< Вст.

După cum știți, parametrii tranzistorului depind în mod semnificativ de temperatura ambiantă. O modificare a acestuia din urmă duce la oscilații spontane (derivare) ale curentului invers al colectorului Ik.o, care la tranzistoarele cu germaniu crește de aproape 2 ori la fiecare 10 K de creștere a temperaturii. Acest lucru determină o schimbare vizibilă a câștigului de curent Ki și a impedanței de intrare a amplificatorului, ceea ce poate duce la o încălcare completă a caracteristicilor de calibrare ale dispozitivului. De asemenea, ar trebui să țină cont de modificarea ireversibilă a parametrilor („îmbătrânire”) a tranzistorilor observată în timp, ceea ce creează necesitatea verificării și corectării periodice a caracteristicilor de calibrare ale dispozitivului tranzistor.

Dacă modificarea curentului Iк.o poate fi compensată într-o oarecare măsură prin setarea la zero înainte de începerea măsurătorilor, atunci trebuie luate măsuri speciale pentru a stabiliza câștigul Ki. Deci, polarizarea la bază (Fig. 9, b) este furnizată printr-un divizor de tensiune de la rezistențele Rb1 și Rb2, iar termistorul cu un coeficient de rezistență negativ de temperatură este uneori folosit ca acesta din urmă. Termistorul poate fi înlocuit cu o diodă D conectată în paralel cu rezistorul Rb1. Odată cu creșterea temperaturii, rezistența inversă a diodei scade, ceea ce duce la o astfel de redistribuire a tensiunilor între electrozii tranzistorului, ceea ce contracarează creșterea curentului de colector. În aceeași direcție acționează și feedback-ul negativ dintre colector și bază, care apare datorită conexiunii la colector (și nu la minusul sursei de alimentare) a ieșirii rezistorului Rb2. Cel mai eficient efect este furnizat de feedback-ul negativ care apare atunci când un rezistor Re este inclus în circuitul emițătorului.

Îmbunătățirea stabilității amplificatorului prin utilizarea unui feedback negativ suficient de profund duce la un raport mic al coeficienților Ki/Bst. Prin urmare, pentru a obține un câștig Ki egal cu câteva zeci, este necesar să se selecteze un tranzistor cu germaniu pentru microampermetru cu un coeficient de transfer de curent ridicat: Vst = 120...200.

În microampermetre, este posibil să se utilizeze tranzistoare cu siliciu, care, în comparație cu tranzistoarele cu germaniu, au parametri mai stabili atât în ​​timp, cât și în raport cu efectele temperaturii. Cu toate acestea, coeficientul Bst pentru tranzistoarele cu siliciu este de obicei mic. Poate fi mărită prin utilizarea unui circuit tranzistor compus (Fig. 9, c); acesta din urmă are un coeficient de transfer de curent Vst aproximativ egal cu produsul coeficienților corespunzători ai tranzistoarelor sale constitutive, adică Vst ≈ Vst1*Vst2. Cu toate acestea, curentul de colector invers al unui tranzistor compozit:

Ik.o ≈ Ik.o2 + Bst2*Ik.o1

depășește semnificativ curenții corespunzători ai componentelor sale și este supus unor fluctuații vizibile de temperatură, ceea ce duce la necesitatea stabilizării modului amplificator.

Este mai ușor să se obțină o stabilitate ridicată a funcționării unui microampermetru cu tranzistor atunci când amplificatorul acestuia este realizat după un circuit echilibrat cu două tranzistoare convenționale sau compozite, special selectate pentru identitatea parametrilor lor (în primul rând, pentru egalitatea aproximativă a coeficienţii Vst şi curenţii Ik.o). O diagramă tipică a unui astfel de dispozitiv cu elemente de stabilizare și corecție este prezentată în fig. 10. Deoarece curenții inițiali de colector ai tranzistorilor sunt aproximativ egali dependenți de temperatură și tensiunea de alimentare și curg prin contor în direcții opuse, compensându-se reciproc, stabilitatea poziției zero a acului contorului și uniformitatea scalei sale cresc . Feedback negativ profund, furnizat de rezistențele Re și Rb.k, crește stabilitatea câștigului de curent. Circuitul echilibrat crește, de asemenea, sensibilitatea microampermetrului, deoarece curentul măsurat creează potențiale de semne diferite pe electrozii de intrare ai ambelor tranzistoare; ca urmare, rezistența internă a unui tranzistor crește, iar celălalt scade, ceea ce crește dezechilibrul locului DC, în diagonala căruia este conectat contorul I.

La reglarea unui microampermetru echilibrat cu un potențiometru de reglare Rk, potențialele colectoarelor sunt egalizate, ceea ce este controlat de absența citirilor contorului atunci când bornele de intrare sunt scurtcircuitate. Punerea la zero în timpul funcționării este efectuată de potențiometrul Rb prin egalizarea curenților de bază cu bornele de intrare deschise. Trebuie avut în vedere faptul că aceste două ajustări sunt interdependente și, la depanarea dispozitivului, ele trebuie repetate de mai multe ori pe rând.

Orez. 10. Circuitul echilibrat al unui microampermetru cu tranzistor

Rezistența de intrare a microampermetrului Rmka este determinată în principal de rezistența totală R = Rb1 + Rb2 + R6, care acționează între bazele tranzistoarelor, și este de aproximativ (0,8 ... 0,9) * R; determinarea sa exactă, precum și curentul limitator nominal In, trebuie efectuate empiric. Este convenabil să ajustați valoarea necesară a curentului nominal folosind un lanț de rezistență șunt, a cărui rezistență trebuie luată în considerare la determinarea rezistenței de intrare Rmka.

Stabilitatea rezistenței de intrare face posibilă extinderea limitei de măsurare în direcția scăderii sensibilității cu ajutorul șunturilor. Rezistența de șunt necesară pentru a obține curentul maxim măsurat Ip,

Rsh.p \u003d Rmka * In / (Ip - In) \u003d Rmka * Ii / (Ki * Ip - Ii) (9)

Cu datele numerice indicate pe diagramă și utilizarea tranzistoarelor cu Vst ≈ 150, microampermetrul echilibrat are un câștig Ki ≈ 34 și poate fi reglat la curentul nominal In = 10 μA prin intermediul unui rezistor de reglare Rm. Dacă este necesar să se obțină un curent nominal de aproximativ 1 μA, amplificatorul este suplimentat cu o a doua treaptă, care este adesea efectuată în funcție de circuitul de urmărire al emițătorului, ceea ce facilitează potrivirea impedanței de ieșire a amplificatorului cu rezistența scăzută. a contorului AND.