Энциклопедия технологий и методик. Стрелочный вольтметр Как включается вольтметр в цепь

При конструировании, ремонте и отладке различной радиоаппаратуры нередко даже опытные радиолюбители совершают элементарные ошибки, которые заканчиваются плачевным финалом для эксплуатируемых ими измерительных приборов. Одна из таких ошибок – извечное радиолюбительское желание измерить сетевое напряжение 220 В, не переключив авометр на соответствующий род работ.

Это несложное устройство, принципиальная электрическая схема которого показана на рис.1, предназначено для контроля сетевого напряжения переменного тока 220 В. Устройство может занять достойное место в радиолюбительской мини$лаборатории или найти применение при доработке различной промышленной бытовой аппаратуры.

Рис.1. Схема вольтметра сетевого напряжения с растянутой шкалой

В качестве прототипа использовалось авторское устройство, описание которого можно найти на страницах журнала “Электрик” . Предлагаемое устройство, в дополнение к функции индикации стрелочным микроамперметром сетевого напряжения, имеет возможность прерывистым звуковым сигналом информировать оператора о значительном превышении сетевого напряжения. Этот несложный узел также можно использовать и для доработки устройств автоматического отключения потребителей электроэнергии от сети, повысив их функциональность.

Устройство питается от сети переменного тока 220 В. Избыток энергии сетевого напряжения гасится высоковольтным пленочным конденсатором C1, далее пониженное напряжение через токоограничительный резистор R4 поступает на однополупериодный выпрямитель напряжения, выполненный на диоде VD2 и светодиодах HL1–HL3. Выпрямленное напряжение ограничивается термокомпенсированным стабилитроном VD3, а пульсации выпрямленного напряжения фильтруются оксидным конденсатором C4.

Устройство работает следующим образом. Сетевое напряжение через выпрямительный диод VD1 и ограничительный резистор R1 поступает на конденсатор фильтра выпрямленного напряжения C2. Напряжение, до которого заряжается этот конденсатор, почти прямо пропорционально зависит от напряжения сети. Шкалу малогабаритного микроамперметра для отображения величины сетевого напряжения желательно сделать растянутой, например, разместив на ней наиболее важный участок со значениями 180…250 В.

Транзистор VT1 работает как микромощный микротоковый стабилитрон с напряжением стабилизации около 40…50 В. Пока напряжение на его переходе меньше напряжения обратимого лавинного пробоя, этот транзистор закрыт, напряжение на выводе затвора VT2 относительно общего провода почти равно нулю, VT2 закрыт, показания микроамперметра PA1 минимальны. Также будет закрыт и транзистор VT3.

Когда напряжение на эмиттерном переходе VT1 станет больше порогового, этот транзистор откроется, откроется и истоковый повторитель на VT2, стрелка микроамперметра отклонится. Чем больше сетевое напряжение, тем на больший угол отклоняется стрелка от начального положения. В случае, если напряжение сети значительно превышает допустимую норму, например 260 В, напряжение на выходе истокового повторителя на VT2 достаточно для открывания p7канального полевого транзистора VT3. В результате мигающий светодиод HL4 вспыхивает, в такт его вспышкам пищит звуковой пьезокерамический излучатель со встроенным генератором HА1. Порог включения звуковой сигнализации устанавливают регулировкой подстроечного резистора R9. Светодиоды зеленого цвета свечения HL1–HL3 кроме выполняемой ими функции выпрямления сетевого напряжения подсвечивают шкалу прибора.

Детали. Резистор R4 желательно применить невозгораемый Р177 или аналогичный импортный разрывной. Остальные постоянные резисторы любые малогабаритные, например, С174, МЛТ, С2723, С2733. Подстроечные резисторы СП471, РП1763, СП3738 или аналогичные малогабаритные импортные. После окончательной настройки устройства подстроечные резисторы желательно заменить постоянными, что повысит долговременную точность настройки измерителя. Конденсатор C1 на рабочее напряжение не менее 630 В. Подойдут отечественные полиэтилентерефталатные К73717, К73724, К73739. Также в качестве C1 можно применить и пару последовательно включенных импортных конденсаторов типа GPF 250V~X2 емкостью 0,47 мкФ. Конденсатор C3 – любой малогабаритный керамический, а C4 – импортный аналог К5035.

Диоды 1N4004 можно заменить любыми из серий КД209, КД243Г–Ж, КД247В–Д, КД105Б–Г. Стабилитрон Д818Г можно заменить любым из этой серии или КС482А, КС510А, КС191М, Д814Б. Применение стабилитрона в миниатюрном стеклянном корпусе нежелательно. Светодиоды HL1–HL3 можно заменить практически любыми с допустимым прямым током от 20 мА, видимого цвета свечения, например, КИПД66Д7Л, КИПД24Ж7Л, АЛ307Н7М. Мигающий светодиод HL4 можно заменить любым из серий L56B, L36В, L796B и другими.

Биполярные транзисторы серии КТ501 не совсем обычные, они допускают относительно высокое напряжение база–эмиттер. Без значительной корректировки сопротивления резистора R2 можно использовать транзисторы КТ501Ж–КТ501М. При отсутствии такого или аналогичного транзистора микротоковый стабилитрон на 30…50 В можно изготовить из нескольких транзисторов типов КТ315, КТ312. Полевые транзисторы КП501Б заменимы любыми из этой серии или КП504, КП505, К1014КТ1, ZVN2120.

Автор использовал микроамперметр типа М4761 с сопротивлением рамки около 900 Ом, взятый из старого неисправного бытового катушечного магнитофона “Сатурн”. Подойдут и другие аналогичные микроамперметры от индикаторов уровня записи/воспроизведения. Применение в качестве VT2 полевого транзистора делает практически независимыми ранее выставленные настройки (кроме регулировки R7) от типа применяемого стрелочного индикатора. Пьезокерамический излучатель звука можно заменить потребляющими небольшой ток EFM7473, EFM7475, EFM7250.

Рис.2. Эскиз печатной платы

Настройка устройства сводится к установке требуемых чувствительности прибора и “растянутости” его шкалы, что достигается подбором и регулировкой сопротивлений резисторов R2, R3, R5, R7. Резистором R10 можно установить желаемую громкость сигнала звукового излучателя HA1. Эскиз печатной платы показан на рис.2.

Литература

1. Бутов А.Л. Вольтметр сетевого напряжения с растянутой шкалой//Электрик. – 2002. – №7. – С.14.

2. Бутов А.Л. Устройство контроля напряжения сети//Схемотехника. – 2003. – №2. – С.44.

А.Л. Бутов, Ярославская обл.
Радіоаматор 2005 №08

Прибор будет полезен автолюбителям для измерения с высокой точностью напряжения на аккумуляторе, но он может найти и другие применения, где требуется контролировать напряжение в интервале 10...15 В с точностью 0,01 В.

Рис. 1 Вольтметр с растянутой шкалой

Известно, что о степени заряженности автомобильного аккумулятора можно судить по его напряжению. Так, у полностью разряженного, разряженного наполовину и полностью заряженного аккумулятора оно соответствует 11,7, 12,18 и 12,66В.

Для того чтобы измерить напряжение с такой точностью, нужен либо цифровой вольтметр, или стрелочный с растянутой шкалой, позволяющий контролировать интересующий нас интервал.

Схема, приведенная на рис. 1, позволяет, используя любой микроамперметр со шкалой 50 мкА или 100 мкА, сделать из него вольтметр со шкалой измерения 10...15 В.

Схема вольтметра не боится неправильного подключения полярности к измеряемой цепи (в этом случае показания прибора не будут соответствовать измеряемой величине).

Для предохранения микроамперметра РА1 от повреждения при перевозках используется включатель S1, который при закорачивании выводов измерительного прибора препятствует колебаниям стрелки.

В схеме использован прибор РА1 с зеркальной шкалой, типа М1690А (50 мкА), но подойдут и, многие другие. Прецизионный стабилитрон VD1 (Д818Д) может быть с любой последней буквой в обозначении. Подстроечные резисторы лучше использовать многооборотные, например R2 типа СПЗ-36, R5 типа СП5-2В.

Для настройки схемы потребуется блок питания с регулируемым выходным напряжением О...15 В и образцовый вольтметр (удобней, если он будет цифровым). Настройка заключается в том, чтобы, подключив блок питания к зажимам Х1, Х2 и постепенно увеличивая напряжение до 10 В, добиться резистором R5 "нулевого" положения стрелки прибора РА1. После этого напряжение источника питания увеличиваем до 15 В и резистором R2 устанавливаем стрелку на предельное значение шкалы измерительного прибора. На этом настройку можно считать законченной.

Рис. 2. Схема для более точного измерения сетевого напряжения

На основе данной схемы прибор можно выполнить многофункциональным. Так, если выводы микроамперметра подключать к схеме через галетный переключатель 6П2Н, можно сделать режим обычного вольтметра, подобрав добавочный резистор, а также тестер для проверки цепей и предохранителей.

Прибор можно дополнить схемой (рис. 2) для измерения перемен- ного сетевого напряжения. При этом шкала у него будет от 200 до 300 В, что позволяет более точно измерять сетевое напряжение.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот

VD1	Стабилитрон	Д814Д	1		В блокнот
R1, R3, R4	Резистор	270 Ом	3	1 Ватт	В блокнот
R2	Подстроечный резистор	100 кОм	1		В блокнот
R5	Подстроечный резистор	2.2 кОм	1		В блокнот
PA1	Микроамперметр	М1690А	1		В блокнот
S1	Включатель		1		В блокнот

VD1-VD4	Диод	КД243Ж	4		В блокнот
R1	Резистор	12 кОм	1	2 Ватт

Кое-что об измерениях

1.1. Расширение пределов измерений амперметров и вольтметров. Стрелочные (электромеханические) амперметры и вольтметры содержат измерительный механизм (микро- или миллиамперметр), измерительный преобразователь: шунты или добавочные резисторы для расширения пределов измерений и выпрямительную систему, если предусматривается измерение переменных токов и напряжений. Наиболее широко в стрелочных электромеханических приборах применяются измерительные механизмы магнитоэлектрической системы. Основные характеристики некоторых из них приведены в табл. 1.

Таблица 1
Измерители магнитоэлектрической системы

Расширение предела измерений по току осуществляют путем включения шунта параллельно измерителю. В многопредельных приборах более удобен не индивидуальный шунт на каждый предел измерений, а так называемый универсальный шунт. При этом можно обойтись простыми гнездами, зажимами или обычным переключателем, в то время как при индивидуальных шунтах нужный предел измерений можно выбирать лишь при помощи специального безобрывного переключателя. В противном случае в момент переключения измерительный механизм (рамка милли- или микроамперметра) оказывается под многократной токовой перегрузкой со всеми вытекающими последствиями.

Рис. 1. Схема многопредельного амперметра с "универсальным" шунтом.

Для расширения предела измерений измерителя Р (рис. 1) по току в N раз (I 1 = NI n) требуется шунт сопротивлением:

где r - внутреннее сопротивление измерителя.

Составные части сопротивления шунта определяют по формулам:

Расширение предела измерений по напряжению осуществляют, включая последовательно с измерителем добавочный резистор. Схемы многопредельных вольтметров показаны на рис. 2. Сопротивление каждого добавочного резистора для вольтметра, изображенного на рис. 2, а, определяют по формуле:

где U - выбранный предел измерения; I и - ток полного отклонения стрелки измерителя; r - внутреннее сопротивление измерителя.

Для вольтметра, выполненного по схеме, изображенной на рис. 2, б, сопротивления добавочных резисторов вычисляют по формулам:

и т.д. для каждого последующего предела измерений.

Рис. 2. Схема многопредельного вольтметра с отдельными добавочными резисторами (а) и с составными (б).

В вольтметрах невысокого класса точности допустимо применение непроволочных резисторов. Причем удобнее каждое добавочное сопротивление составлять из двух резисторов. Так легче обеспечить требуемое сопротивление. Например, 327,91 кОм можно получить, подобрав пару резисторов с нужным отклонением сопротивления от номинального значения, из резисторов с номинальным сопротивлением 330 кОм (20 или 10%-ного ряда) и 910 Ом (5 %-ного ряда).

Приборы, содержащие выпрямительную систему , позволяют измерять напряжения и токи с частотами до нескольких десятков килогерц при практически равномерной шкале, за исключением небольшого участка в ее начале. Измеряемые переменные токи и напряжения преобразуются полупроводниковыми выпрямителями в постоянный ток, регистрируемый магнитоэлектрическим измерителем. Выпрямительная система может быть выполнена по однополупериодной или двухполупериодной (мостовой) схеме.

Рис. 3. Схема измерителя с однополупериодной (а) и двухполупериодной (б) выпрямительной системой и графики тока.

В однополупериодной схеме (рис. 3, а) резистор R служит для выравнивания сопротивления выпрямительной части для токов обоих направлений и сопротивление его выбирается равным внутреннему сопротивлению измерителя r. При измерении синусоидального тока с действующим значением I средневыпрямленное значение тока, отклоняющее стрелку измерителя, I срв 0,45 I. Поэтому при токе полного отклонения измерителя I и предельное действующее значение измеряемого выпрямительной частью прибора переменного тока будет:

В двухполупериодной схеме (рис. 3, б) получается более высокая чувствительность. В этой схеме измеритель Р включен в диагональ моста, образованного четырьмя диодами. Здесь через измеритель ток проходит оба полупериода в одном и том же направлении. Поэтому средневыпрямленное значение тока I срв 0,9 I, а предельное значение измеряемого тока I п 1,11 I и. Недостаток двухполупериодной схемы по сравнению с однополупериодной состоит в некотором расширении неравномерного участка в начале шкалы из-за уменьшения напряжения, приложенного к каждому диоду. В практических схемах вместо двух смежных диодов (например, VD1 и VD2 или VD3 и VD4) иногда включают резисторы сопротивлением в несколько тысяч Ом. Это хотя и ухудшает чувствительность прибора, но зато повышает температурную стабильность и улучшает равномерность шкалы.

Градуируют шкалы приборов выпрямительной системы в действующих значениях синусоидального тока (пп. 1.23, 1.24). Если форма кривой измеряемого тока отличается от синусоиды, то возникает погрешность, зависящая от коэффициента формы кривой k ф = I/I срв (см. например, п. 1.26).

При изготовлении вольтметра (амперметра) выпрямительной системы необходимо знать данные его выпрямительной части: ток полного отклонения I n , напряжение полного отклонения U n и номинальное сопротивление переменному току r n = U n /I n , которое можно определить опытным путем по аналогии с методикой, изложенной в пп. 1.2 и 1.3.

1.2. Измерение внутреннего сопротивления микроамперметра можно осуществить, если подключить его к источнику питания через переменный резистор. Изменяя сопротивление резистора, устанавливают такой ток I п, чтобы стрелка прибора отклонилась на всю шкалу. Далее прибор шунтируют резистором с сопротивлением R ш, чтобы ток I, протекающий через прибор, составлял около половины тока полного отклонения I п.

Если сопротивление рамки r (внутреннее сопротивление микроамперметра) много меньше добавочного сопротивления (включенной части переменного резистора), то общий ток в цепи после подключения к прибору шунта существенно не изменится и ток через Rш можно считать I ш = I п - I. Так как при параллельном соединении rI = R ш I ш, то сопротивление рамки прибора может быть вычислено по формуле: r = R ш (I п / I - 1).

Использование сопротивления R ш с отклонением от номинального значения ±5% дает вполне допускаемую в любительской практике погрешность измерения.

1.3. Измерение входного сопротивления вольтметра можно осуществить с помощью источника питания, внутреннее сопротивление которого по сравнению с входным сопротивлением вольтметра пренебрежимо мало. Таким источником может быть выпрямитель, «свежая» батарея или элемент, заряженный аккумулятор.

Входное сопротивление вольтметра, особенно лампового или транзисторного, как правило, достаточно велико. Такой вольтметр, подключенный к батарее, покажет значение ЭДС батареи (Е). Для повышения точности измерений напряжение источника питания и предел измерений вольтметра желательно выбрать таким, чтобы стрелка отклонилась почти на всю шкалу. После этого между источником напряжения и входом вольтметра включают резистор, сопротивление которого R известно с достаточной точностью. Из-за падения напряжения на этом резисторе показание вольтметра уменьшается до значения U. Теперь входное сопротивление вольтметра можно определить по формуле:

Вольтметры (отдельные или входящие в состав ампервольтомметра), у которых при переходе от одного предела измерений к другому переключаются добавочные резисторы, имеют различное входное сопротивление на разных пределах измерений. Такие приборы принято характеризовать входным сопротивлением, отнесенным к одному вольту предела шкалы. Это сопротивление для данного вольтметра неизменно на всех пределах.

1.4. Особенности измерения постоянных напряжений заключаются в том, что подключение вольтметра приводит к уменьшению общего сопротивления участка цепи, параллельно которому присоединяют вольтметр. Относительное уменьшение сопротивления определяется отношением R ц /(R вх +R ц), где R ц - полное сопротивление цепи между точками включения вольтметра, a R вх = R доб + R и = U п /I и - входное сопротивление вольтметра. Вольтметр будет мало влиять на режим цепи при R вх » R ц. Это условие в полной мере на практике не всегда выполняется, поэтому на схемах промышленных образцов аппаратуры, на картах напряжений, в таблицах режимов часто указывают не только значения, а и тип прибора, которым они измерены. Когда измерения должны проводиться в очень высокоомных цепях и тем более когда подключение вольтметра ощутимо влияет на режим исследуемого каскада, рекомендуется применять электронный вольтметр, обладающий гораздо большим входным сопротивлением.

1.5. Особенности измерения постоянных токов связаны с тем, что прибор включают последовательно в исследуемую цепь. Это приводит к увеличению общего сопротивления цепи и уменьшению тока в ней. Прибор будет тем меньше влиять на режим цепи, чем меньше будет падение напряжения на нем в сравнении с напряжением, действующим в цепи.

Если в исследуемой цепи протекает пульсирующий или импульсный ток, то магнитоэлектрический прибор будет реагировать на постоянную составляющую и этого тока. В этом случае параллельно прибору включают конденсатор большой емкости, имеющий гораздо меньшее сопротивление для переменной составляющей тока, чем сам измеритель. Кроме того, место включения прибора в цепи с переменной составляющей выбирают таким образом, чтобы один из его зажимов непосредственно или через конденсатор большой емкости соединялся с корпусом.

1.6. Измерение тока вольтметром особенно удобно, если почему-либо нежелательно или технически сложно разрывать цепь для включения амперметра. В этом случае измеряют падение напряжения на резисторе, по которому проходит измеряемый ток. Если сопротивление резистора известно (или специально измерено), то искомый ток определяют по закону Ома: I = U/R, где I - ток, мА; U - показание вольтметра, В; R - сопротивление резистора, падение напряжения на котором измерялось вольтметром, кОм. При этом нужно помнить, что сопротивление вольтметра должно хотя бы в 10-20 раз превышать сопротивление резистора, на котором измеряют падение напряжения.

1.7. Особенности измерения переменных напряжений и токов в цепях, где присутствует и постоянная составляющая, состоит прежде всего в том, что магнитоэлектрический прибор с выпрямительной системой реагирует и на эту составляющую. Другое дело - электронный измерительный прибор с закрытым входом, т.е. имеющий на входе конденсатор, включенный между входной клеммой и схемой прибора. Однако таким прибором любитель не всегда располагает.

Измеряя переменные напряжения обычным ампер-вольтомметром, можно исключить влияние постоянной составляющей, если присоединить прибор к измеряемой цепи через конденсатор достаточно большой емкости. Емкость должна быть такой, чтобы сопротивление конденсатора на данной частоте было бы гораздо меньше входного сопротивления вольтметра. Например, для нижнего участка диапазона звуковых частот при входном сопротивлении вольтметра 20 кОм/В можно применить конденсатор емкостью 1 мкФ. Для частот более высоких емкость конденсатора может быть уменьшена. При этом нужно помнить, что с увеличением частоты возрастает и частотная погрешность вольтметра, так как показания прибора начинают зависеть не только от активного сопротивления, как при измерении постоянных напряжений, но и от реактивного сопротивления, т.е. от полного сопротивления прибора. Здесь реактивное сопротивление обусловлено прежде всего наличием индуктивностей рамки, добавочных резисторов (особенно проволочных) и другими факторами.

Измерять переменные токи в отлаживаемых схемах удобнее методом вольтметра (п. 1.6).

Важно при измерениях переменных напряжений или токов правильно выбрать место включения прибора в исследуемую схему. Включать прибор желательно так, чтобы потенциал точки подключения прибора был как можно ближе к потенциалу «земли», а еще лучше, если один из щупов будет заземлен.

Автолюбителю

Стрелочный вольтметр с растянутой шкалой 10...15 В

Прибор будет полезен автолюбителям для измерения с высокой точностью напряжения на аккумуляторе, но он может найти и другие применения,

Рис. 4.6 Вольтметр с растянутой шкалой

Где требуется контролировать напряжение в интервале 10...15 В с точностью 0,01 В.

Схема, приведенная на рис. 4.6, позволяет, используя любой микроамперметр со шкалой 50 мкА или 100 мкА, сделать из него вольтметр со шкалой измерения 10...15 В.

Рис. 4.7. Схема для более точного измерения сетевого напряжения

Прибор можно дополнить схемой (рис. 4.7) для измерения перемен- ного сетевого напряжения. При этом шкала у него будет от 200 до 300 В, что позволяет более точно измерять сетевое напряжение.

Дата публикации: 20.02.2007

Мнения читателей

Heloiza / 31.10.2012 - 07:37
Suprsriing to think of something like that
Александр / 04.02.2010 - 15:45
Старенькая очень хорошая схемка, на базе этой схемы было дополнение для измерения частоты вращения (оборотов). Кто знает, подскажите.Заранее благодарен [email protected]

Для того, чтобы измерить напряжение аккумуляторной батареи автомобиля обычно используется цифровой прибор, поскольку обычный стрелочный не позволяет сделать это с необходимой точностью — ведь ошибка даже в несколько десятых вольта может привести к неправильной оценке состояния аккумулятора или работы генератора.

С другой стороны, для контроля напряжения аккумуляторной батареи совеем не нужна большая часть шкалы, поскольку измерять напряжение приходится в достаточно узком диапазоне – 10 … 15 В. Таким образом, если растянуть шкалу для измерения только в указанном интервале, то стрелочный прибор справится с задачей не хуже гораздо более дорогого цифрового. Постройкой именно такого вольтметра мы сегодня и займемся.

Принципиальная схема вольтметра, работающего в диапазоне 10…15 В представляет собой мост, в диагональ которого включен микроамперметр с током полного отклонения 50 мкА (к примеру, М1690А). В одно плечо моста включен стабилитрон VD1 с токоограничивающим резистором R1, в другое — делитель, состоящий из резисторов R3, R4, R5. Резистор R2 служит для задания диапазона измерения. Переключатель S1, который в режиме «Перевозка» закорачивает головку РА1 и препятствует колебаниям стрелки при тряске, служит для безопасной транспортировки прибора. На месте VD1 вместо указанного на схеме может работать Д818 с любым буквенным обозначением, в качестве РА1 – любой микроамперметр с током полного отклонения 50 …100 мкА. Резисторы R2 и R5 имеет смысл использовать многооборотные (к примеру, СП3-36 и СП5-2В).

Резисторы типа СП3-36 нужного нам номинала широко использовались в электронных селекторах каналов телевизоров 3-4 поколения выпуска СССР

Поскольку шкала нашего прибора практически линейна, уже перед настройкой ее можно проградуировать, поставив в начало значение 10 В, а в верхний предел — 15 В. Всю шкалу между этими значениями равномерно градуируем с необходимой точностью.
Для настройки прибора понадобится регулируемый источник питания напряжением 0 … 15 В и контрольный вольтметр с наиболее возможной точностью измерения. Налаживание прибора выполняется в следующей последовательности:

1. Подключаем БП к зажимам нашего прибора (Х1 и Х2) и плавно увеличиваем напряжение до 10 В, постоянно контролируя его по образцовому вольтметру.
2. При напряжении 10 В подстройкой резистора R5 устанавливаем стрелку измерительного прибора РА1 на нулевую отметку.
3. Увеличиваем напряжение до 15 В и подстройкой резистора R2 устанавливаем стрелку прибора РА1 на конечную отметку шкалы.

При необходимости несколько раз повторяем пункты 2, 3 и при точных верхнем и нижнем показаниях прибора настройку можно считать законченной. На регулировочные винты наносим по капле краски или любого лака, а саму схему помещаем в ударопрочный корпус подходящих размеров.