Цифровая индикация тока и напряжения своими руками
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 05.10.2024
Бывает надобность отследить наличие протекающего в цепи тока в двух состояниях: либо есть, либо нет. Пример: вы заряжает аккумулятор со встроенным контроллером зарядки, подключили к источнику питания, а как контролировать процесс? Можно конечно же включить в цепь амперметр скажете вы, и будете правы. Но постоянно это делать не будешь. Проще один раз встроить в блок питания индикатор протекания заряда, который будет показывать – идет ли ток в аккумулятор или нет.
Ещё пример. Допустим есть какая-то лампа накаливания в автомобиле, которую вы не видите и не знаете горит она или перегорела. В цепь к этой лампе можно так же включить индикатор тока и контролировать протекание. Если лампа перегорит – это будет сразу видно.
Или же есть некий датчик с нитью накала. Тапа газового или датчика кислорода. И вам нужно точно знать, что нить накала не оборвалась и все исправно работает. Тут и придет на помощь индикатор, схему которого я приведу ниже.
Применений может быть масса, основная конечно идея одна – контроль наличия тока.
Схема индикатора тока
Схема очень простая. Резистор со звездочкой подбирается в зависимости от контролируемого тока, он может быть от 0,4 до 10 Ом. Для зарядки литии ионного аккумулятора я брал 4,7 Ом. Через этот резистор протекает ток (если протекает), по закону Ома на нем выделяется напряжение, которое открывает транзистор. В результате загорается светодиод, индицирующий идущую зарядку. Как только аккумулятор зарядиться, внутренний контроллер отключит батарею, ток в цепи пропадет. Транзистор закроется и светодиод погаснет, тем самым давая понять, что зарядка завершена.
Диод VD1 ограничивает напряжение до 0,6 В. Можно взять любой, на ток от 1 А. Опять же, все зависит от вашей нагрузки. Но нельзя брать диод Шоттки, так как у него слишком маленькое падение – транзистор попросту может не открыться от 0,4 В. Через такую схему можно даже заряжать автомобильные аккумуляторы, главное диод выбрать с током выше, тока желаемой зарядки.
В данном примере светодиод включается во время прохождения тока, а если нужно показывать, когда нет тока? На этот случай есть схема с обратной логикой работы.
Все тоже самое, только добавляется инвертирующий ключ на одном транзисторе такой же марки. Кстати транзистор любой этой же структуры. Подойдет отечественный аналоги – КТ315, КТ3102.
Параллельно резистору со светодиодом можно включить зуммер, и когда при контроле, скажем лампочки, тока не будет – раздастся звуковой сигнал. Что будет очень удобны, и не придаться выводить светодиод не панель управления.
В общем, задумок может быть много, где использовать данный индикатор.
В большинстве случаев результаты измерений аналоговых величин лучше всего считывать с цифрового индикатора. С этой целью при необходимости применяют различные преобразователи (например температура—напряжение, фаза—напряжение), выходной сигнал которых подают на АЦП и далее на цифровой индикатор. Описываемое устройство удобно использовать, когда нужен недорогой измеритель средней степени точности, а применение однокристальных АЦП по каким-либо причинам невозможно.
Схема двухразрядного индикатора приведена на рисунке. Диапазон измерений входного напряжения 0-7В, при большем напряжении следует применять делитель. Принцип работы АЦП основан на измерении времени зарядки конденсатора до напряжения, равного измеряемому, и последующем его преобразовании в цифровую форму. Пропорциональность измеряемых времени и напряжения обеспечивается стабилизацией тока зарядки.
Работой АЦП управляет генератор прямоугольных импульсов на элементах DD1.3, DD1.4. Когда на выходе генератора появляется лог 0, транзистор VT3 закрывается, а на входах РЕ счетчиков DD2, DD3 действует лог 0, разрешая счет импульсов с генератора на DD1.1, DD1.2. Конденсатор С1 заряжается от генератора тока на транзисторе VT2. Когда возрастающее напряжение на конденсаторе сравняется с входным, на выходе 9 компаратора DA1 появится высокий логический уровень. Транзистор VT1 инвертирует его, поэтому работа генератора на элементах DD1.1 и DD1.2 блокируется. Одновременно с этим на входах С DD4, DD5 действует лог 1, разрешающая запись информации со счетчиков DD2, DD3. Зафиксированное число отображается на светодиодных индикаторах HG1, HG2.
Как только на выходе генератора на элементах DD1 3, DD1 4 появится лог 1, открывается транзистор VT3 и конденсатор С1 разряжается Компаратор DA1 изменяет свое состояние и блокирует запись в преобразователи кода DD4, DD5. Через небольшой промежуток времени, определяемый цепью R8 C4 лог 1 подается на входы РЕ счетчиков DD2, DD3 записывая в них лог 0. После этого цикл измерения повторяетс. Если на входе устройства напряжение равно нулю, то на выходе компаратора DA1 присутствует высокий логический уровень, разрешающий запись в DD4, DD5 и блокирующий генератор на DD1 1, DD1 2. При этом в счетчики DD2, DD3 записываются нули, отображаемые индикаторами.
Конструктивно индикатор выполнен на двух платах на одной — установлены светодиодные индикаторы HG1 HG2, на другой — все остальные элементы. Монтаж на платах можно выполнить печатным способом или тонким проводом в изоляции. В устройстве использованы постоянные резисторы МЛТ-0,125 конденсаторы С2—С4 могут быть любые керамические. Подстроечный резистор R5 — СП5-2 или другой многооборотный, конденсаторы С1 и СЗ — керамические с малым ТКЕ, в качестве С1 можно также установить К73-17. Светодиодные индикаторы HG1, HG2 можно заменить на АЛС324Б (с общим анодом), подключив входы S преобразователей кода и общие электроды индикаторов к общему проводу. Микросхемы DD4, DD5 можно заменить на К176ИД3. Транзисторы VT1, VT3—любые из серии КТ315.
Налаживание собранного прибора начинают с установки тока зарядки конденсатора С1. Для этого включают микроамперметр в разрыв между стоком транзистора VT2 и точкой соединения конденсатора С 1 с коллектором VT3 и подбором резистора R1 устанавливают ток около 20 мкА. После этого подают на вход устройства напряжение, соответствующее верхней границе диапазона измерений, и резистором R5 устанавливают на индикаторах соответствующее показание. Иногда, при нечетком обнулении счетчиков (когда на индикаторах чередуются нулевые и ненулевые показания), требуется подобрать резистор R8. После регулировки, изменяя напряжение на входе, проверяют работу устройства в целом. В авторском варианте описанное устройство используется в качестве вольтметра лабораторного блока питания.
Рассматриваемый в этой статье сдвоенный малогабаритный прибор предназначен для измерения постоянного тока и напряжения по схеме с "общей землёй" для обоих приборов (вольтметра и амперметра).
Как в силу своей конструкции, так и в силу схемотехники, удобнее всего его будет применять в виде встроенного устройства для постоянного контроля работы других устройств.
Купить протестированный цифровой вольтметр - амперметр можно на Алиэкспресс, цена на момент обзора в зависимости от модификации - о т $ 2.75 до $3.45.
Внешний вид, комплектация, технические характеристики и схемотехника встраиваемого цифрового вольтметра - амперметра
Вольтметр-амперметр представляет собой небольшую плату с двумя светодиодными цифровыми индикаторами, вставленную в корпус-рамку:
Прибор выпускается в разных модификациях (с 3-значными индикаторами и 4-значными индикаторами), с различными комбинациями цветов свечения индикаторов (красный и/или синий), и на различные пределы измерения по напряжению и току (напряжение - 100 или 200 в, ток - 10 А или 50 А; для предела 50 А необходим внешний шунт).
Основные технические характеристики устройства (в скобках указаны значения для протестированного варианта прибора):
Разрядность индикаторов: 3 или 4 (3);
Размер шрифта (высота цифр): 0.28 дюйма (7.1 мм);
Диапазон измерения напряжения: 0 - 100 В или 0 - 200 В (100 В);
Диапазон измерения тока: 0 - 10 А или 0 - 50 А (10 А);
Точность измерения напряжения и тока: 0.08% + 2 ед. мл. разряда;
Частота обновления показаний: 3 раза в секунду;
Напряжение питания: 4 - 30 В;
Потребляемый ток: не более 20 мА;
Рабочая температура: -10 . +65°С;
Габариты: 48*29*20 мм (длина / ширина / глубина без учета вставленных разъёмов).
В комплектацию прибора входят два кабеля: кабель с двумя толстыми проводами для подключения амперметра и кабель с тремя тонкими проводами для подключения вольтметра и питания.
Если измеряемое напряжение находится в интервале 4 - 30 В, то питать прибор можно непосредственно измеряемым напряжением.
Если же измеряемое напряжение выходит за эти рамки, то для питания необходимо предусмотреть отдельный источник.
Это связано с тем, что если напряжение окажется выше 30 В, то рассеиваемая мощность на стабилизаторе питания прибора превысит предельно-допустимую, и прибор может выйти из строя.
Если же напряжение окажется ниже 4 В, то прибор просто не включится.
Так выглядит прибор с подключенными разъёмами:
Здесь надо обратить внимание на один момент в конструкции.
На длинных боках прибора имеются по паре защёлок, чтобы прибор держался на внешней панели какого-либо устройства.
По идее, эти защелки должны иметь некоторую гибкость, чтобы прибор можно было установить на своё место без излишних усилий.
На самом деле никакой гибкости у защёлок нет, и притом сразу по двум причинам.
Во-первых, им мешают индикаторы прибора, установленные вплотную к границам платы: защёлкам просто некуда прогибаться.
Во-вторых, даже если плату вынуть, то оказывается, что защелки всё равно настолько жесткие, что пользоваться ими весьма затруднительно.
Впрочем, если пользователь решит установить прибор с помощью этих защелок, то другого варианта нет: сначала извлечь плату (это делается легко), затем установить корпус прибора на своё место, затем обратно установить плату. Перед этой операцией следует убедиться, что защелки не останутся в подогнутом состоянии и не помешают установке платы на своё место.
Теперь - о назначение проводников кабелей.
Кабель из двух толстых проводов - для измерения тока. Чёрный - "земля", он же вход амперметра (подключается к "земле" источника питания). Красный - выход амперметра (для подключения отрицательного полюса нагрузки).
Сечение проводов обозначено на них в американской системе как 18 AWG , что соответствует диаметру провода в 1.024 мм и сечению в 0.823 кв. мм. Провода такого диаметра обычно применяются в качестве силовых в стандартных блоках питания компьютеров на 300-500 Вт и достаточны для тока до 10 А.
Разъём для кабеля измерения тока тоже имеет более толстые контакты, чем для измерения напряжения; но следует помнить, что при высоких токах даже небольшое сопротивление в несколько миллиОм может оказать своё зловредное действие: привести к нагреву и даже обугливанию контактов. К этому вопросу вернёмся ещё в итогах обзора.
Кабель из трёх тонких проводов - для подачи питания и измеряемого напряжения. Черный - "земля", внутри прибора он соединён с толстым чёрным проводником амперметра.
Красный провод - питание, желтый - для подачи измеряемого напряжения. Если измеряемое напряжение находится в пределах 4 - 30 В, то красный и желтый провода можно замкнуть между собой и использовать и для питания, и для измерения напряжения.
Далее представлены типовые схемы подключения прибора со страницы продавца для двух описанных выше случаев: когда напряжение укладывается в пределы 4 - 30 В и когда не укладывается.
Теперь посмотрим на печатную плату цифрового вольметра-амперметра:
В левом верхнем углу - "главная" микросхема: аналого-цифровой процессор (без маркировки либо со стёртой маркировкой). Осуществляет измерение напряжения и тока и одновременно управляет светодиодными индикаторами.
Индикация осуществляется последовательным обходом разрядов цифровой индикации. Из-за этого при движении глаз заметен стробоскопический эффект.
Кроме того, прибор не имеет регулировки яркости свечения индикации.
В левом нижнем углу (в тени) - линейный стабилизатор питания M5333B на напряжение 3.3 В.
Подстроечники VR1 (V_ADJ) и VR2 (I_ADJ) служат для подстройки точности измерения напряжения и тока соответственно. В тестах их положение не менялось, прибор тестировался с заводской настройкой.
Между разъёмами расположился сдвоенный операционник LM358S.
Вверху у правого края сверху - шунт для измерения тока.
Вот, вкратце, и всё касательно схемотехники.
Тестирование встраиваемого цифрового вольтметра - амперметра
Для тестирования цифрового вольтметра-амперметра использовалось следующее оборудование:
- лабораторный блок питания Longwei LW-K3010D (30 В 10 А) (обзор);
- осциллограф Hantek 2D72 , включенный в режиме мультиметра;
- резистор 3.9 Ом 100 Вт, сопротивление вместе с соединительными проводами - 4.35 Ом.
Сначала был замерен ток потребления прибора, он составил 9.7 мА при напряжении питания 30 В. При снижении напряжения питания ток потребления снижался незначительно, так что можно считать данное потребление постоянным.
Дальнейшая программа - очень простая.
Проводим замер тока и напряжения при разных значениях: низком, среднем и относительно высоком. Поскольку осциллограф в качестве мультиметра не может одновременно измерять и ток, и напряжение, проверка точности измерения тока проводилась отдельно от проверки точности напряжения.
Показания осциллографа в качестве мультиметра принимались за эталонные, так как его разрядность (и, соответственно, точность) выше.
При этом следует заметить, что фактически проверялась точность заводской настройки прибора. В случае обнаружения ошибок в разумных пределах пользователь может подстроечниками сам добиться нужной точности, но наверняка какая-то часть пользователей будет использовать прибор "как есть".
Проверка измерения тока.
1. Малая величина тока.
При токе 0.952 А прибор показал 0.94 А, ошибка составила 1.3%.
Также надо обратить внимание, что этот тест сделан при минимально-допустимом напряжении питания (4 В) и оказался успешным.
2. Средняя величина тока.
При токе 2.198 А прибор показал 2.16 А, ошибка составила 1.7%.
3. Высокая величина тока (имеется в виду в пределах применённой аппаратуры).
При токе 4.64 А прибор показал 4.60 А, ошибка составила 0.9%.
Теперь проверим точность по напряжению.
1. Малая величина напряжения.
В данном случае под малым напряжением понимается напряжение, при котором, согласно техническим характеристикам, начинается штатная работа прибора, т.е. около 4 В. Прибор может измерять и меньшие напряжения, но при условии питания прибора от отдельного источника.
При напряжении 4.14 В прибор показал 4.05 В, ошибка составила 2.2%.
2. Средняя величина напряжения.
При напряжении 12.14 В прибор показал 12.0 В, ошибка составила 1.2%.
3. Высокая величина напряжения.
При напряжении 20.41 В прибор показал 20.2 В, ошибка составила 1.0%.
Проведённые испытания, хотя и не охватывают весь диапазон допустимых токов и напряжений, показали высокую точность протестированного вольтметра - амперметра и стабильность результатов. Погрешность оказалась не только малой, но и стабильной - не меняла знак в процессе измерений (высокая линейность характеристики).
Итоги и выводы
Протестированный встраиваемый цифровой вольтметр - амперметр показал себя изделием, вполне пригодным для использования в целях контроля параметров питания различной аппаратуры.
При этом надо учитывать некоторые особенности прибора.
В первую очередь надо отметить, что максимальную величину измеряемого тока (до 10 А) следует рассматривать, как предельно-допустимый эксплуатационный параметр, влияющий на срок эксплуатации прибора (причины были описаны выше).
Иными словами, как и всякий предельно-допустимый параметр, он не должен использоваться на 100% в течение длительного времени. Желательно, чтобы постоянная нагрузка по току не превышала 75-80% от максимальной.
Следующая "тонкость" - прибор не следует применять при быстрых изменениях измеряемой величины: по "мелькающим" цифрам трудно отслеживать изменения параметров. В таких случаях лучше использовать добрые старые стрелочные приборы, пусть даже их точность и ниже (обзор малогабаритных стрелочных амперметров - здесь). Как вариант - можно установить одновременно и стрелочный, и цифровой прибор.
И помним, что прибор рассчитан на измерение тока и напряжения только одной полярности - положительной относительно собственной "земли". Для измерения тока и напряжения отрицательной полярности необходимо и достаточно использовать отрицательное питание в качестве "земли" для прибора.
Где купить: на Алиэкспресс, цена на момент обзора - о т $ 2.75 до $ 3.45 .
Обзоры других контрольно-измерительные приборов, протестированных на данном сайте - здесь.
Весь раздел "Сделай сам! ( DIY) " - здесь.
Ваш Доктор.
20 июня 2021 г.
В любой технике в качестве отображения режимов работы используют светодиоды. Причины очевидны – низкая стоимость, сверхмалое энергопотребление, высокая надёжность. Поскольку схемы индикаторов очень просты, нет необходимости в покупке фабричных изделий.
Из обилия схем, для изготовления указателя напряжения на светодиодах своими руками, можно подобрать наиболее оптимальный вариант. Индикатор можно собрать за пару минут из самых распространённых радиоэлементов.
Все подобные схемы по назначению делят на индикаторы напряжения и индикаторы тока.
Работа с сетью 220В
Рассмотрим простейший вариант – проверка фазы.
Эта схема представляет собой световой индикатор тока, которым оснащают некоторые отвёртки. Такое устройство даже не требует внешнего питания, поскольку разность потенциала между фазовым проводом и воздухом или рукой достаточна для свечения диода.
Для отображения сетевого напряжения, например, проверки наличия тока в разъёме розетки, схема ещё проще.
Простейший индикатор тока на светодиодах 220В собирается на ёмкостном сопротивлении для ограничения тока светодиода и диода для защиты от обратной полуволны.
Проверка постоянного напряжения
Нередко возникает необходимость прозвонить низковольтную цепь бытовых приборов, либо проверить целостность соединения, например, провод от наушников.
В качестве ограничителя тока можно использовать маломощную лампу накаливания либо резистор на 50-100 Ом. В зависимости от полярности подключения загорается соответствующий диод. Этот вариант подходит для цепей до 12В. Для более высокого напряжения потребуется увеличить сопротивления ограничивающего резистора.
Индикатор для микросхем (логический пробник)
Если возникает необходимость проверить работоспособность микросхемы, поможет в этом простейший пробник с тремя устойчивыми состояниями. При отсутствии сигнала (обрыв цепи) диоды не горят. При наличии логического ноля на контакте возникает напряжение около 0,5 В, которое открывает транзистор Т1, при логической единице (около 2,4В) открывается транзистор Т2.
Такая селективность достигается, благодаря различным параметрам используемых транзисторов. У КТ315Б напряжение открытия 0,4-0,5В, у КТ203Б – 1В. При необходимости можно заменить транзисторы другими с аналогичными параметрами.
Вариант для автомобиля
Простая схема для индикации напряжения бортовой сети автомобиля и заряда аккумулятора. Стабилитрон ограничивает ток аккумулятора до 5В для питания микросхемой логики.
Переменные резисторы позволяют выставить уровень напряжения для срабатывания светодиодов. Настройку лучше проводить от сетевого стабилизированного источника питания.
Читайте также: