Амперметр переменного тока своими руками схема

Рассмотрены не сложные схемы цифровых вольтметра и амперметра, построенных без использования микроконтроллеров на микросхемах СА3162, КР514ИД2. Обычно, у хорошего лабораторного блока питания есть встроенные приборы, — вольтметр и амперметр. Вольтметр позволяет точно установить выходное напряжение, а амперметр покажет ток через нагрузку.

В старых лабораторных блоках питания были стрелочные индикаторы, но сейчас должны быть цифровые. Сейчас радиолюбители чаще всего делают такие приборы на основе микроконтроллера или микросхем АЦП вроде КР572ПВ2, КР572ПВ5.

Микросхема СА3162Е

Но существуют и другие микросхемы аналогичного действия. Например, есть микросхема СА3162Е, которая предназначена для создания измерителя аналоговой величины с отображением результата на трехразрядном цифровом индикаторе.

Микросхема СА3162Е представляет собой АЦП с максимальным входным напряжением 999 mV (при этом показания «999») и логической схемой, которая выдает сведения о результате измерения в виде трех поочередно меняющихся двоично-десятичных четырехразрядных кодов на параллельном выходе и трех выходах для опроса разрядов схемы динамической индикации.

Чтобы получить законченный прибор нужно добавить дешифратор для работы на семисегментный индикатор и сборку из трех семисегментных индикаторов, включенных в матрицу для динамической индикации, а так же, трех управляющих ключей.

Тип индикаторов может быть любым, -светодиодные, люминесцентные, газоразрядные, жидкокристаллические, все зависит от схемы выходного узла на дешифраторе и ключах. Здесь используется светодиодная индикация на табло из трех семисегментных индикаторов с общими анодами.

Индикаторые включены по схеме динамической матрицы, то есть, все их сегментные (катодные) выводы включены параллельно. А для опроса, то есть, последовательного переключения, используются общие анодные выводы.

Принципиальная схема вольтметра

Теперь ближе к схеме. На рисунке 1 показана схема вольтметра, измеряющего напряжение от 0 до 100V (0. 99,9V). Измеряемое напряжение поступает на выводы 11-10 (вход) микросхемы D1 через делитель на резисторах R1-R3.

Конденсатор СЗ исключает влияние помех на результат измерения. Резистором R4 устанавливают показания прибора на ноль, при отсутствии входного напряжения А резистором R5 выставляют предел измерения так чтобы результат измерения соответствовал реальному, то есть, можно сказать, им калибруют прибор.

Рис. 1. Принципиальная схема цифрового вольтметра до 100В на микросхемах СА3162, КР514ИД2.

Теперь о выходах микросхемы. Логическая часть СА3162Е построена по логике ТТЛ, а выходы еще и с открытыми коллекторами. На выходах «1-2-4-8» формируется двоичнодесятичный код, который периодически сменяется, обеспечивая последовательную передачу данных о трех разрядах результата измерения.

Если используется дешифратор ТТЛ, как, например, КР514ИД2, то его входы непосредственно подключаются к данным входам D1. Если же будет применен дешифратор логики КМОП или МОП, то его входы будет необходимо подтянуть к плюсу при помощи резисторов. Это нужно будет сделать, например, если вместо КР514ИД2 будет использован дешифратор К176ИД2 или CD4056.

Выходы дешифратора D2 через токоограничивающие резисторы R7-R13 подключены к сегментным выводам светодиодных индикаторов Н1-НЗ. Одноименные сегментные выводы всех трех индикаторов соединены вместе. Для опроса индикаторов используются транзисторные ключи VT1-VT3, на базы которых подаются команды с выходов Н1-НЗ микросхемы D1.

Эти выводы тоже сделаны по схеме с открытым коллектором. Активный ноль, поэтому используются транзисторы структуры р-п-р.

Принципиальная схема амперметра

Схема амперметра показана на рисунке 2. Схема практически такая же, за исключением входа. Здесь вместо делителя стоит шунт на пятиваттном резисторе R2 сопротивлением 0,1 От. При таком шунте прибор измеряет ток до 10А (0. 9.99А). Установка на ноль и калибровка, как и в первой схеме, осуществляется резисторами R4 и R5.

Рис. 2. Принципиальная схема цифрового амперметра до 10А и более на микросхемах СА3162, КР514ИД2.

Выбрав другие делители и шунты можно задать другие пределы измерения, например, 0. 9.99V, 0. 999mA, 0. 999V, 0. 99.9А, это зависит от выходных параметров того лабораторного блока питания, в который будут установлены эти индикаторы. Так же, на основе данных схем можно сделать и самостоятельный измерительный прибор для измерения напряжения и тока (настольный мультиметр).

При этом нужно учесть, что даже используя жидкокристаллические индикаторы прибор будет потреблять существенный ток, так как логическая часть СА3162Е построена по ТТЛ-логике. Поэтому, хороший прибор с автономным питанием вряд ли получится. А вот автомобильный вольтметр (рис.4) выйдет неплохой.

Питаются приборы постоянным стабилизированным напряжением 5V. В источнике питания, в который будут они установлены, необходимо предусмотреть наличие такого напряжения при токе не ниже 150mA.

Подключение прибора

На рисунке 3 показана схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Рис. 3. Схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Рис.4. Самодельный автомобильный вольтметр на микросхемах.

Детали

Пожалуй, самое труднодоставаемое — это микросхемы СА3162Е. Из аналогов мне известна только NTE2054. Возможно есть и другие аналоги, о которых мне не известно.

С остальным значительно проще. Как уже сказано, выходную схему можно сделать на любом дешифраторе и соответствующих индикаторах. Например, если индикаторы будут с общим катодом, то нужно КР514ИД2 заменить на КР514ИД1 (цоколевка такая же), а транзисторы VТ1-VТЗ перетащить вниз, подсоединив их коллектора к минусу питания, а эмиттеры к общим катодам индикаторов. Можно использовать дешифраторы КМОП-логики, подтянув их входы к плюсу питания при помощи резисторов.

Налаживание

В общем-то оно совсем несложное. Начнем с вольтметра. Сначала замкнем между собой выводы 10 и 11 D1, и подстройкой R4 выставим нулевые показания. Затем, убираем перемычку, замыкающую выводы 11-10 и подключаем к клеммам «нагрузка» образцовый прибор, например, мультиметр.

Регулируя напряжение на выходе источника, резистором R5 настраиваем калибровку прибора так, чтобы его показания совпадали с показаниями мультиметра. Далее, налаживаем амперметр. Сначала, не подключая нагрузку, регулировкой резистора R5 устанавливаем его показания на ноль. Теперь потребуется постоянный резистор сопротивлением 20 От и мощностью не ниже 5W.

Устанавливаем на блоке питания напряжение 10V и подключаем этот резистор в качестве нагрузки. Подстраиваем R5 так чтобы амперметр показал 0,50 А.

Можно выполнить калибровку и по образцовому амперметру, но мне показалось удобнее с резистором, хотя конечно на качество калибровки очень влияет погрешность сопротивления резистора.

По этой же схеме можно сделать и автомобильный вольтметр. Схема такого прибора показана на рисунке 4. Схема от показанной на рисунке 1 отличается только входом и схемой питания. Этот прибор теперь питается от измеряемого напряжения, то есть, измеряет напряжение, поступающее на него как питающее.

Напряжение от бортовой сети автомобиля через делитель R1-R2-R3 поступает на вход микросхемы D1. Параметры этого делителя такие же как в схеме на рисунке 1, то есть для измерения в пределах 0. 99.9V.

Но в автомобиле напряжение редко бывает более 18V (больше 14,5V уже неисправность). И редко опускается ниже 6V, разве только падает до нуля при полном отключении. Поэтому прибор реально работает в интервале 7. 16V. Питание 5V формируется из того же источника, с помощью стабилизатора А1.

Применив синхронное выпрямление переменного тока, автор линеаризовал шкалу шунтового амперметра магнитоэлектрического типа без какого-либо усилителя В статье предлагаются варианты схем с однополупериодным и кольцевым синхронным выпрямителем, применяемым обычно в кольцевых модуляторах.

Шкала амперметра переменного тока, построенного с использованием магнитоэлектрического стрелочного прибора с шунтом и простого выпрямителя, обычно нелинейна. Это связано с тем что при уменьшении напряжения ниже некоторого порога (0,2. 0,6 В) выпрямительные свойства германиевых и кремниевых диодов резко ухудшаются.

В результате требуется увеличивать падение напряжения на шунте либо применять линейные выпрямители на основе усилителей переменного напряжения. Однако повышение падения напряжения на шунте неизбежно приводит к потерям мощности и росту выходного сопротивления источника питания. К тому же этот способ лишь уменьшает нелинейность, но не устраняет ее полностью.

Правда, применение усилителей позволяет практически полностью устранить нелинейность, но сильно усложняет измеритель.

Между тем линейность простых из мерительных выпрямителей на полупроводниковых диодах можно значительно улучшить без особого усложнения, если использовать синхронное выпрямление.

Однополупериодный синхронный выпрямитель для амперметра

На рис 1 приведена схема однополупериодного синхронного выпрямителя для амперметра с линеаризованной шкалой. В положительный полупериод переменного напряжения (плюс на верхних концах обмоток II и III) открываются диоды VD1 и VD2 подключая микроамперметр к шунту Rш. В отрицательный полупериод диоды закрыты.

В открытом состоянии диоды имеют малое дифференциальное сопротивление, и нелинейность этого сопротивления невелика, поэтому шкала получается практически линейной.

Рис. 1. Схема амперметра с трасформатором.

При использовании микроампер метров со шкалой 50 .200 мкА с максимальным падением напряжения на рамке не более 150 мВ минимальное напряжение на обмотке III может составлять 1,5. 2 В для германиевых и 2. 2,5 В для кремниевых диодов (при меньшем напряжении его нестабильность заметно сказывается на показаниях амперметра).

Максимальное напряжение ограничивается максимально допустимым обратным напряжением используемых диодов Минимальный ток диодов должен в 10.. 20 раз превышать максимальный ток микроамперметра. Дополнительную обмотку можно изготовить самостоятельно, намотав несколько витков тонкого изолированного про вода на катушку трансформатора, если его конструкция позволяет это сделать.

Резисторы R3 и R4 служат для подстройки нуля амперметра, сдвиг которого возникает за счет тока диода VD2, протекающего через шунт, и разброса параметров диодов.

Синфазность подключения обмоток II и III важна при сравнительно низком напряжении обмотки III (менее 2 В), так как при противофазном включении этих обмоток (в этом случае полярность подключения микроамперметра нужно изменить) в приборе появляется нелинейность шкалы (цена деления в конце шкалы плавно увеличивается), что, кстати, иногда может оказаться полезным. Однако при напряжении на обмотке III выше 4 ..5 В эта нелинейность практически не заметна и на фазу включения обмоток можно не обращать внимания

Для защиты микроамперметра от случайных перегрузок параллельно его выводам полезно включить кремниевый диод Д220 КД522 или КД521 в прямом направлении, предварительно убедившись, что он не влияет на показания микроамперметра в конце шкалы.

Двухполупериодный выпрямитель для амперметра

Добавлением еще двух диодов и одного резистора синхронный выпрямитель можно преобразовать в двухполупериодный (рис 2). В качестве источника, открывающего диоды, здесь использована рабочая обмотка трансформатора

Преимущество двухполупериодной схемы выпрямления перед однополупериодной состоит в том, что требуемое падение напряжения на Вш примерно в два раза меньше при одинаковом токе полного отклонения микроамперметра.

Рис. 2. Схема двухполупериодного выпрямителя для амперметра.

Так, если в однополупериодном выпрямителе с диодами Д220 для полного отклонения стрелки микроамперметра на 200 мкА (с сопротивлением рамки около 670 Ом) требовалось падение напряжения на Rш, около 0,4 В, то в двухполупериодном это напряжение не превышало 0,2 В.

Приведенная схема является модификацией обычного кольцевого модулятора При увеличении напряжения на R„, до 0,4 В (амплитудное значение) для германиевых и 1,2 В для кремниевых диодов через диоды VD1 VD3 и VD2, VD4 начинает протекать сквозной ток нагрузки. Поэтому резисторы R3-R5 служат не только для балансировки моста Они ограничивают ток через диоды при перегрузке.

Исходя из этих соображений, в двухполупериодном выпрямителе лучше использовать кремниевые диоды и рассчитывать амперметр на максимальное падение напряжения на Rш, не более 0,5. 0,6 В.

На случаи перегрузки или КЗ можно принять дополнительные меры по ограничению тока через диоды. Это может быть увеличение сопротивления резисторов R3- R5, гасящего резистора и шунтирующих диодов или стабилитронов.

Получение открывающего напряжения непосредственно от сети 220 В

Для открывания диодов измерительного моста амперметра с линейной шкалой не обязательно использовать трансформатор. На рисунке 3 показан способ получения открывающего напряжения непосредственно от сети 220 В, стабилитрон VD1 ограничивает и стабилизирует это напряжение. Диод VD2 уменьшает нагрев гасящего резистора R5.

Рис. 3. Схема — способ получения открывающего напряжения непосредственно от сети 220 В.

Такую схему питания целесообразно использовать и в случае питания от трансформатора, если его выходное напряжение превышает несколько десятков вольт При использовании в подобном случае двухполупериодного выпрямителя диод VD2 необходимо исключить, а последовательно со стабилитроном VD1 включить встречно еще один (того же типа) или использовать двуханодный стабилитрон

При расчете элементов однополупериодного выпрямителя и проведении измерений нужно помнить об особенностях измерения несинусоидального тока или напряжения, учитывая коэффициент формы.

При изготовлении многопредельного амперметра с пределами измеряемого тока менее 0 2 0 4 А необходимо учитывать следующую особенность этих мостовых схем. Ток, открывающий диод VD1 на рис 1 (или VD1, VD2 на рис 2), замыкается непосредственно на источник питания, а ток диода VD2 (или VD3 VD4 на рис. 2) проходит через резистор Rш, и создает на нем падение напряжения, которое, как указывалось выше, компенсируется подстройкой резистора R4

Когда сопротивление резистора Rш не более 0,1. 0 20м, падение напряжения на нем от тока диода VD2 (1 . 2 мА) не превышает 0,1 .0,4 мВ. При максимальном падении напряжения на шунте 100 ..200 мВ его можно не учитывать. Если же на минимальном пределе измерения сопротивление имеет большее значение, то необходимо принимать меры по поддержанию нуля при переключении пределов измерения.

Если питание моста производится от дополнительной обмотки то на минимальном пределе можно составить шунт из двух половин и подключить вывод обмотки питания моста к средней точке шунта Возможно также использовать дополнительную секцию безразрывного переключателя, чтобы при переключении пределов ток в цепи питания отдельных плеч измерительного моста не прерывался.

При изготовлении амперметров по приведенным схемам необходимо принять меры к повышению температурной стабильности показаний прибора, которая в основном определяется равенством температур диодов измерительного моста.

Для этого целесообразно использовать диодные сборки в одном корпусе либо разместить диоды рядом друг с другом и обеспечить хороший тепловой контакт, залив их компаундом.

В. Андреев, г. Тольятти, Самарская обл. Р2001, 1.

Цифровой амперметр на светодиодах – удобный способ отображения информации, при котором имеет значение не только модуль измеряемой величины (что, кстати, значительно удобнее определять не по отклонению стрелочного индикатора, а по величине столбчатой диаграммы, или при помощи мини-дисплея), но и частоту изменения этого параметра.

Описание схемы

Светодиоды не отличаются большой мощностью, но использовать их в слаботочных электрических цепях допустимо и целесообразно. В качестве примера можно рассмотреть схему получения цифрового амперметра для определения силы тока в аккумуляторной батарее автомобиля, при номинальном диапазоне значений в 40…60 мА.

Количество использованных светодиодов определит пороговое значение тока, при котором в работу будет включаться один из светодиодов. В качестве операционного усилителя можно использовать LM3915, либо подходящий по параметрам микроконтроллер. На вход будет подаваться напряжение через любой низкоомный резистор.

Удобно отражать результаты измерения в виде столбчатой диаграммы, где весь, практически используемый диапазон тока будет разделяться на несколько сегментов по 5…10 мА. Плюсом LED является то, что в схеме можно использовать элементы разного цвета – красного, зелёного, синего и т.д.

Для работы цифрового амперметра потребуются следующие компоненты:

1. Микроконтроллер типа PIC16F686 с АЦП на 16 бит.
2. Настраиваемые джамперы для выхода конечного сигнала. Можно, как альтернативу, применить DIP-переключатели, которые используются в качестве электронных шунтов или сигнальных замыканий в обычных электронных цепях.
3. Источник питания постоянного тока, который рассчитан на рабочее напряжение от 5 до 15 В (при наличии стабильного напряжения, что контролируется вольтметром, подойдёт и 6 В).
4. Контактная плата, где можно разместить до 20 светодиодов типа SMD.

Электрическая схема амперметра на LED источниках

Последовательность размещения и монтажа амперметра

Входной сигнал по току (не более 1 А) подаётся от стабилизированного блока питания через шунтирующий резистор, допустимое напряжение на котором не должно быть более 40…50 В. Далее, проходя через операционный усилитель, сигнал поступает на светодиоды. Поскольку значение тока во время прохождения сигнала изменяется, то соответственно будет изменяться и высота столбика. Управляя током нагрузки, можно регулировать высоту диаграммы, получая результат с различной степенью точности.

Монтаж платы с SMD-компонентами, по желанию пользователя, можно размещать либо горизонтально, либо вертикально. Смотровое окошко перед началом тарировки необходимо перекрывать тёмным стеклом (подойдёт фильтр с кратностью 6…10 х от обычной сварочной маски).

Тарировка цифрового амперметра состоит в подборе минимального значения нагрузки по току, при которой светодиод будет светиться. Варьирование настройки производится экспериментально, для чего в схеме предусматривается резистор с небольшим (до 100 мОм) сопротивлением. Погрешность показаний такого амперметра обычно не превышает нескольких процентов.

Вы знали, что можно переделать старый вольтметр в амперметр? Как это сделать — смотрите видео:

Как настраивать регулировочный резистор

Для этого последовательно устанавливают силу тока, которая проходит через определённый светодиод. В качестве контрольного прибора можно использовать обычный тестер. Вольтметр включается в схему перед микроконтроллером, а амперметр – после него. Для исключения влияния случайных пульсаций подключается также сглаживающий конденсатор.

Практическим плюсом изготовления прибора своими руками (светодиодов не должно быть менее четырёх) является устойчивость схемы при значительных изменениях первоначально заданного диапазона силы тока. В отличие от обычных диодов, которые при коротком замыкании выйдут из строя, светодиоды просто не загораются.

Св-диоды как измерители тока в аккумуляторной батарее автомобиля, не только экономят заряд и сохраняют аккумуляторы, но и позволяют более удобным способом считывать показания.

Аналогичным образом можно построить и цифровой вольтметр. В качестве источников света для такого варианта применения подойдут элементы на 12 В, а наличие дополнительного шунта в схеме вольтметра позволит более рационально использовать всю высоту столбчатой диаграммы.