Схема высокоосного вольтметра постоянного напряжения (стрелочный)
Последние два десятка лет у радиолюбителей популярны малогабаритные цифровые мультиметры с ЖК дисплеем и автономным питанием. Мультиметры низшей ценовой категории, например, из серий М83х, РТ83х дёшевы, но неудобны в использовании, имеют низкую точность измерения, не содержат элементов защит от неправильного использования.
Более серьёзные мультиметры с автоматическим выбором диапазонов, защитой, повышенной точностью измерений стоят уже в несколько раз дороже.
Даже если вы не сожжёте мультиметр, например, подключением к сети напряжения 220 В переменного тока, когда его переключатель рода работ находится в положении измерения сопротивлений, рано или поздно, а скорее рано, при интенсивной эксплуатации прибора печатные контакты переключателя придут в негодность от износа. Измерительные приборы с автоматическим выбором пределов измерений позволяют продлить срок службы переключателя рода работ.
Ещё более продлит срок службы мультиметров то, если на рабочем месте будет одновременно эксплуатироваться несколько мультиметров, каждый из которых большую часть времени производит измерения только одной электрической величины, что уменьшит необходимость пользоваться переключателем рода работ. Например, у автора один мультиметр измеряет сопротивления, другой ёмкость, третий измеряет переменный ток, четвёртый тестирует полупроводниковые переходы и т.д.
Но так получилось, что не было выделенного мультиметра для измерения напряжения постоянного тока. Чтобы лишний раз не переключать один из задействованных мультиметров на измерение напряжений, было решено изготовить несложный стрелочный вольтметр, который, имея только одну функцию измерения напряжения постоянного тока, частично разгрузил бы используемые мультиметры от «лишних» переключений рода работ.
Вольтметр было решено собирать по подобию схемы из [1], адаптировав её под имеющиеся детали и под конкретные потребности. Следует отметить, что около четверти века назад автор уже изготовил мультиметр по мотивам схемы из той публикации, который обычно используется как милливольтметр напряжения переменного тока и как фазометр [2].
Аналоговое представление измеряемого напряжения обычно более наглядно в случае его быстрого изменения - не требуется интерпретация «больше-меньше», но предоставляет меньшую точность, чем цифровая индикация. Вольтметр было решено делать с входным сопротивлением более 20 МОм, для сравнения, дешёвые цифровые мультиметры обычно имеют входное сопротивление в режиме измерения напряжений всего 1 МОм или 10 МОм, а магнитоэлектрический ТЛ-4М всего около 300 кОм на диапазоне «30 В» постоянного тока.
Число диапазонов для вольтметра было выбрано равным четырём, по числу положений имеющегося компактного галетного переключателя. Питается вольтметр от сети переменного тока, что исключает периодическую необходимость замены батарей.
Принципиальная схема
Принципиальная схема прибора показана на рис. 1. Измеряемое напряжение постоянного тока поступает на неивертирующий вход операционного усилителя DA2 через последовательно включенные высокоомные резисторы R6, R7, которые совместно с резистором R8 образуют делитель входного напряжения. В случае, когда переключатель диапазонов SA1 находится в левом по схеме положении, вольтметр будет измерять напряжение до 0,3 В.
В других положениях переключателя SA1 к общему проводу будет подключена одна из цепочек резисторов R12R13, R14R15 или R16R17, соответственно, от положения SA1 будет выбран диапазон измерений 0,3, 3,0, 30 или 300 Вольт.
Коэффициент усиления DA2 по напряжению зависит от соотношения сопротивлений резисторов R22/R18, выбран около 16, что необходимо для работы микроамперметра РА1 с относительно низкой чувствительностью.
Микроамперметр включен в диагональ выпрямительного моста VD13 - VD16. Диод VD17 снижает величину перегрузки РА1. Конденсатор С7 уменьшает чувствительность прибора к наводкам напряжения переменного тока. Диоды VD8 - VD12 защищают DA2 от повреждения высоким входным напряжением.
Рис. 1. Принципиальная схема высокоомного вольтметра постоянного напряжения со стрелочной индикацией.
При настройке этого прибора было выявлено, что температура защитных диодов VD8 - VD12 влияет на показания РА1, поэтому было установлено четыре защитных диода, а не два, как в публикации [1]. Резистор R26 ограничивает ток через микроамперметр, диоды выпрямительного моста и выход DA2. Переменным резистором R24 при замкнутых между собой щупах X1, Х2 устанавливают стрелку РА1 на нулевое деление шкалы.
На операционном усилителе DA1 собран индикатор полярности измеряемого напряжения. Если на щупе X1 плюс, то светит «красный» светодиод HL2. Если на X1 минус, то светит «синий» HL3.
Подстроечным резистором R11 при замкнутых щупах X1, Х2 и установленной на ноль стрелке РА1 устанавливают минимально возможное напряжение на выходе DA1, вывод 6. Максимальное напряжение на щупах X1, Х2 не должно превышать 1000 В, иначе возможны пробои резисторов делителя напряжения и искровые пробои между контактами монтажа.
Микросхемы DA1, DA2 питаются двуполярным напряжением +/- 8,3 В от параметрических стабилизаторов напряжений положительной и отрицательной полярности, собранных на транзисторах VT1, VT2 и элементах их обвязки. Модуль стабилизаторов напряжений изготовлен на отдельной плате, на принципиальной схеме обозначен как А2. На стабилизаторы напряжений поступает напряжение переменного тока около 16 В от сетевого адаптера, обозначенного как модуль А1.
Резисторы R1, R2 уменьшают вероятность повреждения понижающего трансформатора Т1 и снижают его ток холостого хода. Светодиод НИ светит при включении адаптера в сеть переменного тока 220 В. Светодиоды HL4, HL5 подсвечивают шкалу микроамперметра.
Детали и конструкция
Большинство деталей вольтметра установлено на монтажной плате размерами 79x35 мм. Монтаж двусторонний навесной. Детали стабилизатора напряжений установлены на монтажной плате размерами 73x32 мм. Прибор помещён в пластмассовый корпус размерами 85x85x42 мм, вид на компоновку деталей в корпусе показан на рисунке на последней странице обложки журнала.
Корпус изнутри частично оклеен липкой алюминиевой фольгой, электрически соединённой с общим проводом, точка подключения - резистор R8, к которому также подключен щуп Х2. В качестве сетевого адаптера применён источник питания для телевизионного антенного усилителя.
Не разбирая сердечника трансформатора, с вторичной обмотки Т1 отматывают около 120 витков провода с тем расчётом, чтобы в режиме холостого хода на выводах обмотки II было напряжение около 18 В. Стабилизатор напряжения +12 В удаляют. Диоды мостового выпрямителя можно применить для сборки индикаторного узла VD1 - VD4, НИ, R3.
Сетевой адаптер потребляет от сети 220 В ток около 8 мА. Ток через вторичную обмотку Т1 около 30мА.
Постоянные резисторы типов С1-14, С2-14, С2-23, С1-4, МЛТ, РПМ соответствующей мощности. Переменный резистор R24 типа СП4-1, СПЗ-9. Подстроечный резистор R11 малогабаритный импортный или СПЗ-39а, СП5-2, СП5-16ВА сопротивлением 4,7...100 кОм. Конденсатор С7 малогабаритный плёночный. Остальные неполярные К10-17, К10-50 или импортные аналоги.
Оксидные конденсаторы малогабаритные импортные или К53-19, К53-30. Диоды 1N4148 можно заменить любыми из 1SS176, 1SS244, КД521, КД522.
Рис.2. Шкала вольтметра.
Вместо диодов 1N4007 подойдут любые из 1N4001 -1N4006, UF4001 - UF4007, КД209, КД243, КД247. Германиевые диоды Д9Е можно заменить любыми из серий Д9, Д18, ГД507, 2Д507 или маломощными диодами Шотки, например, SB140, 1N5818. Вместо стабилитронов BZV55С-9V1 подойдут 1N4739А, TZMC-9V1, Д814Б1, КС191Ф, КС191Ж.
Светодиоды серии RL30 относятся к сверхъярким, можно заменить любыми аналогичными непрерывного свечения. «Белые» светодиоды HL4, HL5 приклеены к боковым стенкам микроамперметра РА1. Вместо транзистора 2SD1616 подойдёт любой из 2SC2331, 2SC2500, SS8050, КТ646, КТ6114, КТ503. Транзистор 2SA1271 можно заменить на любой из серий SS8550, 2SA916, 2SA931, КТ502, КТ6115, КТ684.
Упомянутые транзисторы имеют отличия в цоколёвке выводов и типе корпуса. Вместо микросхем КР544УД2Б подойдут любые из КР544УД2, К544УД2, LF355, LF255, LF155, LF356, LF256, LF156, LF357, LF257, LF157. Все эти микросхемы имеют одинаковые схемы включения и близкие параметры, содержат полевые транзисторы на входах.
При отсутствии ненужного сетевого адаптера для антенного усилителя, на месте Т1 можно применить унифицированный понижающий трансформатор ТПК-2-12В. Галетный переключатель малогабаритный импортный, идущий к нему кабель должен быть экранирован. Микроамперметр применён типа М4167 от индикатора уровня Записи/Воспроизведения катушечного магнитофона «Сатурн».
Следует учитывать, что шкала с таким микроамперметром будет нелинейной. Пример шкалы показан на рис. 2, размер шкалы 54x44 мм. Нулевое деление шкалы должно быть в месте нахождения стрелки при обесточенной катушке. Максимальное деление шкалы должно находиться в правой части, не доходя около 5...10 градусов до ограничителя хода подвижной стрелки.
Для настройки изготовленного прибора щупы X1, Х2 соединяют вместе. После чего, подбором сопротивлений резисторов R21, R23 добиваются того, чтобы при перемещении движка переменного резистора R24 из конца в конец, стрелка РА1 перемещалась от нулевого деления шкалы до примерно её середины в обоих крайних положениях R24. Установив стрелку РА1 на нулевое деление шкалы, подбором сопротивления резистора R8 настраивают работу прибора на диапазоне 0,3 В. Затем изготавливают рабочую копию шкалы РА1. После сборки микроамперметра подбором резисторов R12 - R17 настраивают работу вольтметра на других
диапазонах. При настройке прибора измеряемое напряжение не должно содержать переменной составляющей. Если будет применён более чувствительный микроамперметр, то усиление DA2 можно уменьшить, установив резистор R18 большего сопротивления.
Бутов А.Л. РК2015-12.
Литература:
- Универсальный измерительный прибор. Р-1990, № 8.
- Бутов А.Л. Фазометр. - РК-2001, № 10.
- Бутов А.Л. Испытатель полевых транзисторов. - РК-2003, № 10.
- Бутов АшЛ. Индикатор-сигнализатор сетевого напряжения. - РК-2013, № 2.