Статья из сайта petrovlam.ru
Автор: Петров В. М.
Введена 04.05.2011
Последнее обновление: 04.05.2011

 

 

Выбор схемы простого авометра

 

      Аннотация.   Предложена идеология выбора схемы при разработке измерительных приборов.

 

      В век миниатюризации и всеобщего внедрения микросхем всё же не пропадает интерес у любителей поделок к традиционным «пассивным» измерительным приборам. Это тем более справедливо для начинающих умельцев, так как работа с микросхемами требует навыка и повышенной аккуратности. Да и стоимость микросхем не такова, чтобы можно было безболезненно экспериментировать с ними.

      Есть и ещё одна привлекательная сторона у простых (стрелочных) приборов. Это – возможность ОЦЕНИВАТЬ величину параметра без затраты усилий на считывание его точной величины.

 

      При всём при этом, каждому умельцу, приступающему к разработке прибора, хочется привнести в него какую-нибудь «изюминку». И с этих позиций становится актуальным ВЫБОР критерия для сравнительной оценки различных схем.

      Я для такой оценки ввожу «критерий рациональности».

      Этот критерий определяется количеством диапазонов и видов измерений, приходящихся на один схемный элемент.

      Очевидно, что не все, входящие в схему элементы, будут иметь одинаковую знáчимость. Так, например, простое гнездо предпочтительнее гнезда разрезного, то есть, состоящего из двух изолированных друг от друга частей. Резистор постоянный предпочтительнее резистора переменного. И так далее.

      По этой причине каждому из элементов присвоен «индекс нежелательности» (g), учитывающий дефицитность элемента, его стоимость, конструктивную сложность, нежелательность применения в простом приборе (Таблица 1).

 

Таблица 1

Элемент

«Приведённое количество» g

Резистор постоянный

n

Диод

n

Микроамперметр

n-1

Гнездо простое

0.7*n

Гнездо разрезное

1.4*n

Источник питания встроенный

n

Источник питания внешний

1.2*n

Резистор переменный

1.1*n*a

Переключатель (галетный, кнопка и т. д.)

N*(1+b/10)*b*c

 

а    - число резисторов в группе, имеющей общий привод

b    - число положений переключателя

с    - число направлений переключения

n    - число соответствующих элементов в схеме

 

      Тем самым, элементы условно приводятся к количествам, компенсирующим их неравную знáчимость. Тогда «рациональность» (Р) вычисляется как:

 

где:

 

S    - суммарное число диапазонов прибора по всем видам измерений, когда используется данный элемент

N   - общее число условно равножелательных элементов (элементы используемые для подгонки номинала, - не учитываются)

 

 

      В таблицу 2 сведены данные по «Р» для приборов, описанных в журнале «Радио».

 

ПРИМЕЧАНИЕ

      Если описанный в журнале прибор не содержит функции измерения параметров транзисторов, то в его схему условно добавляются один резистор и три гнезда.

 

      В конце таблицы представлены данные для предлагаемых ПИП (Прибор Измерительный Петрова).

 

Таблица 2

Первоисточник

n

H

P

62.9 – 46 (Ц-20)

19

47.84

0.397

62.9 – 46 (ТТ-1)

19

57.84

0.328

66.10 – 33.4

11

28.24

0.390

69.7 – 42 (Ц-4325)

40

61.35

0.652

70.2 - 53

26

87.24

0.298

71.10 - 43

20

50.03

0.400

71.10 - 45

18

50.65

0.355

72.3 - 39

17

42.14

0.403

75.8 - 46

17

42.47

0.400

ПИП-2

30

34.80

0.862

ПИП-2Р

36

34.80

1.034

ПИП-3

38

27.80

1.367

ПИП-3Р

46

27.80

1.655

 

ПРИМЕЧАНИЕ

      ПИП-Р – (расширенный) отличается от ПИП только наличием дополнительных децибельных шкал

      Схемотехнические решения ампер-вольтметров хорошо известны. Некоторые из этих решений, касающиеся чисто гнёздной коммутации, сведены в таблицу 3.

 

Таблица 3

Вариант

Виды измерений

Принципиальная схема

Р

 

 

 

 

 

 

3-1

 

 

 

 

 

~U

+U

+I

 

 

 

 

 

 

 

0.529

 

 

 

 

 

3-2

 

 

 

~U

+U

+I

 

 

 

 

 

 

0.600

 

 

 

 

 

3-3

 

 

 

~U

+U

~I

+I

 

 

 

 

 

 

1.033

 

 

 

 

 

3-4

 

 

 

~U

+U

~I

+I

 

 

 

 

 

 

1.210

 

      С применением галетных переключателей «рациональность» таких схем становится ниже.

 

      В варианте 3-1 для измерения постоянных и переменных напряжений используются разные добавочные резисторы. Это даёт возможность для обоих видов измерения сохранять одинаковые диапазоны.

 

      В варианте 3-2 для измерения, как постоянных, так и переменных напряжений, используются одни и те же добавочные резисторы. Здесь предел измерения по переменному напряжению примерно в 2.5 раза превышает предельно постоянное напряжение, измеряемое на том же диапазоне (на пределах по переменному напряжению менее 2-х вольт соотношение увеличивается).

 

      В варианте 3-3 отсутствует равномерная шкала. Однако её отсутствие окупается использованием одних и тех же добавочных резисторов для измерения постоянных напряжений и одних и тех же шунтирующих резисторов для измерения постоянных и переменных токов. Можно, конечно, считать недостатком такой схемы необходимость в разных шкалах для каждого диапазона измеряемого тока. Но, по-моему, дополнительная шкала не повышает техническую сложность изделия.

 

      Дальнейшее повышение «рациональности» достигается ценой изменяющегося входного сопротивления вольтметра при переходе от одного диапазона к другому (вариант 3-4).

      С введением линеаризаторов шкалы варианты 3-3 и 3-4 становятся особенно выигрышными.

 

      Основные схемотехнические решения омметров тоже хорошо известны. Некоторые из этих решений сведены в таблицу 4. Поскольку в «рациональных» приборах использование шунтов, общих для омметра и для амперметра, практически, неизбежно, постольку здесь не рассматриваются омметры-миллиамперметры, схемотехнику которых в чисто гнёздном варианте не удаётся решить простым подключением двух (не более) измерительных шнуров.

 

      Уместно отметить, что, если простые вольтметры и миллиамперметры не содержат схемотехнической погрешности, то простые омметры такую погрешность содержат принципиально. При этом, величина её зависит от степени разряда батареи и от выбранной схемотехники прибора (логометрические омметры – не в счёт).

      Анализ схемотехнической погрешности омметров выделяет схемы, в которых подстроечный резистор подключен параллельно микроамперметру.

 

      В таблице 4 приняты следующие обозначения:

 

Rи  - сопротивление рамки индикатора

Rо  - общее сопротивление подстроечника

R    - часть сопротивления подстроечника

Rш  - шунтирующий резистор, определяющий ток, при котором стрелка индикатора отклоняется полностью

Rд  - добавочный резистор, обеспечивающий ток полного отклонения

Rх  - измеряемое сопротивление

U   - номинальное напряжение батареи

k    - коэффициент, показывающий долю оставшегося на батарее напряжения

R'R – соответствующие сопротивления, принимающие эти значения при

 

 

Uи  - падение напряжения на индикаторе

 

      Из двух принципов схемного построения (гнёздный и с переключателем) в таблицу введены варианты с большей «рациональностью».

 

Вариант 4-1: Р = 0.392

 

 

 

      Вариант 4-1 имеет схемотехническую погрешность 2.5% при разряде батареи до уровня k = 0.75%, принятом падении напряжения на индикаторе а = 0.1 от напряжения свежей батареи и при условии, что сопротивление подстроечника в два раза больше сопротивления рамки индикатора.

      При бóльших значениях разряда батареи и номинала подстроечника, рáвно как и при большем относительном падении напряжения на индикаторе, эта погрешность возрастает. Таким образом, для снижения схемотехнической погрешности в варианте 4-1 необходимо сильно шунтировать микроамперметр, что лишает возможности использования такого микроамперметра для измерения больших сопротивлений. Кроме того, схемотехническая погрешность этого варианта выражается громоздкой формулой, не пригодной для оперативной коррекции результата измерения.

      К недостаткам схемы следует отнести также несоответствие кратностей диапазонов по токам и по сопротивлениям применительно к одному и тому же шунту.

 

Вариант 4-2: Р = 0.387

 

 

 

      Такую же погрешность имеет омметр по варианту 4-2. Достоинство этого варианта в том, что, благодаря параллельному включению измеряемого сопротивления, от батареи потребляется меньший ток. Однако необходимо применять количество подстроечников в соответствии с числом диапазонов. Вариант интересен, скорее, теоретически, чем практически, так как достать сверхнизкоомные подстроечники - проблематично.

 

      Наиболее часто применяются схемы омметров с подключением подстроечника параллельно микроамперметру шунта, изменяющегося по значению своего сопротивления (варианты 4-3 и 4-4).

 

Вариант 4-3: Р = 0.421

 

 

      Особенностью схемы 4-3 является неприемлемость построения многопредельного омметра с отдельными шунтами при одном подстроечнике. В этом случае с увеличением тока полного отклонения (с уменьшением сопротивления Rш) резко снижается допустимая степень разряда батареи.

      Если Rш = 0.1*Rи, R = Rн, Ro = 10*R, Uн = 0.1*U, то kмин = 0.933. (Для Rш = 0.01*Rн  kмин = 0.992).

      Поэтому совместимость схемы омметра со схемой миллиамперметра возможна только с применением сверхнизкоомных подстроечников (что само по себе - проблематично), количество которых соответствует числу диапазонов.

      Схемотехническая погрешность вариантов равна 5% при Uи = 0.1*U, k= 0.7.

      С увеличением разряда батареи и любого из остальных параметров схемотехническая погрешность возрастает.

 

      В практических  схемах омметрмиллиамперметров применяются исключительно универсальные шунты (вариант 4-4). К достоинствам таких вариантов относятся: приемлемая для любительской практики погрешность (такая же, как в варианте 4-3), полная совместимость схем миллиамперметра и омметра, малая разница в положениях ползунка подстроечника из-за разряда батареи при переходе от диапазона к диапазону, высокая «рациональность».

 

Вариант 4-4: Р = 0.421

 

 

      Однако схемотехническая погрешность омметра вычисляется по формулам, также неудобным для оперативной коррекции. Наконец, в гнёздном варианте схема не решается без разрезных гнёзд.

 

      Самой большой схемотехнической погрешностью обладают омметры с подстроечниками, включёнными последовательно с измеряемым сопротивлением (вариант 4-5). Эта погрешность прямо пропорциональна разряду батареи. Тем не менее, именно прямая пропорциональность обеспечивает оперативную коррекцию результата измерения. Достаточно для такой коррекции знать напряжение на батарее (коэффициент остаточного заряда k). Тогда истинное значение измеряемого сопротивления будет равно:

 

 

где

 

R’x  - считываемое значение сопротивления

 

Вариант 4-5: Р = 0.348

 

 

      Благодаря этому, погрешность омметра может быть снижена до класса индикатора.

 

      Количество подстроечников должно равняться числу диапазонов омметра. Номиналы подстроечников выбираются с кратностью, совпадающей с кратностью токов полного отклонения индикатора по диапазонам омметра. Этим достигается примерная (из-за невозможности точного подбора подстроечников) одинаковость положения всех осей подстроечников независимо от свежести батареи. В этом случае оси всех подстроечников можно будет связать между собой и управлять ими при помощи единственной ручки. Тогда порядок пользования омметром не будет отличаться от привычного.

 

 

      В таблицу 5 сведены схемы испытателей транзисторов.

 

      Вариант 5-1 является исходным и представляет традиционное решение прибора, обеспечивающего измерение токоусиления (β) при задаваемом токе базы (Iб). Возможность проверки транзисторов разной проводимости обеспечивается сдвоенным переключателем полярности батареи и индикатора.

 

      Вариант 5-2 является Авторской разработкой. Здесь присутствуют сдвоенные переключатели. Приставка обеспечивает измерение обратных токов коллекторного (Iк0) и эмитерного (Iэ0) переходов, начального тока (Iн), токоусиления (β) при устанавливаемом токе базы (Iб).

 

      Вариант 5-3 также является Авторской разработкой. Приставка обеспечивает измерение усиления по току при фиксированном токе базы (отсюда – высокая «рациональность») для транзисторов обеих проводимостей. Измерения проводятся в одних и тех же гнёздах без каких-либо переключателей.

 

      В соответствии с изложенной идеологией Автором разработаны малоэлементные многопредельные многофункциональные Простые Измерительные Приборы (ПИП).

 

Вариант 5-1: Р = 0.492

 

Вариант 5-2: Р = 0.750

Вариант 5-3: Р = 0.923

 

      На рисунке 1 представлена принципиальная электрическая схема авометра ПИП-2.

Рис.1

 

      Основой прибора является измеритель-индикатор «И» с током полного отклонения 10мкА. При помощи постоянно включённого универсального шунта RR10 наименьший предел по току сохранён за счёт уменьшения угла отклонения стрелки (поскольку шкалу всё равно придётся изготавливать самостоятельно).  Резистор R4 выбран таким, чтобы падение напряжения на приборе в режиме измерения постоянных напряжений равнялось наименьшему диапазону измеряемых напряжений. Тем самым удаётся совместить гнездо «Гн4» с гнездом «Гн7» (повысить «рациональность»). Резистор R выравнивает сопротивления прибора прямому и обратному направлениям тока при измерении переменных напряжений. Резисторы RR3 являются добавочными для диапазонов измерения напряжений. Гнёзда «Гн1 ÷ Гн4» (рáвно, как и резисторы RR3) служат, как для измерения постоянных, так и для измерения переменных напряжений. При этом предельное измеряемое синусоидальное напряжение (эффективное значение) превышает, примерно, в 2.5 раза значение постоянного напряжения, измеряемого на том же диапазоне.

      Универсальный шунт миллиамперметра R6 ÷ R10 используется в полном объёме также и для омметра. На каждом из диапазонов омметра предусмотрены самостоятельные подстроечники (R16 ÷ R20) для установки стрелки индикатора на конечную отметку при накоротко замкнутых гнёздах «» и «R» (Rх = 0). Оси подстроечников связаны друг с другом и управляются одной общей ручкой. Резисторы R11 ÷ R15 ограничиваю ток, забираемый от батареи «Б» при полностью выведенных подстроечниках.

      Проверяемые транзисторы подключаются к гнёздам «Гн19 ÷ Гн21». (По схемотехнике гнёзда «Гн12» и «Гн19» могут быть совмещены). При этом числитель в обозначении гнезда соответствует электроду транзистора прямой проводимости («n»). Знаменатель – для обратной проводимости («р»). Таким образом, проверка транзисторов разной проводимости отличается только способом их подключения.

      Резисторы R21 и R22 образуют делитель напряжения, создающий в базе ток порядка 10мкА.

 

      Для измерения токоусиления гнездо «Гн18» соединяется посредством измерительного шнура с соответствующим из гнёзд «Гн7 ÷ Гн11». При этом выбранный предел измерения тока следует умножать на 100.

 

      Для измерения уровней в ПИП-2 предусмотрена шкала, отградуированная в децибелах (к диапазону ~2.5В). можно изготовить децибельные шкалы и для других диапазонов (ПИП-2Р).

 

      Для измерения напряжения батарейки замыкаются гнёзда «Гн12» («R») и «Гн3» ~2.5В»).

 

      Гнездо «Гн5» является общим для переменных напряжений.

      Гнездо «Гн6» является общим для постоянных напряжений и постоянных токов.

      Гнездо «Гн12» является общим при измерении сопротивлений.

 

      На рисунке 2 представлена принципиальная электрическая схема авометра ПИП-3 на индикаторе с током полного отклонения 50мкА. Благодаря отдельным шунтам, снижается падение напряжения на приборе в режиме миллиамперметра (ценой использования разрезных гнёзд).

      В ПИП-3 предусмотрен только один диапазон для измерения сопротивлений. Увеличить их число можно увеличением цепей, аналогичных цепи R14-R15-Гн16 в соответствии с числом диапазонов миллиамперметра (по варианту 4-5).

      Испытуемый транзистор вставляется в гнёзда «Гн17 ÷ Гн19». Числитель в обозначении гнезда соответствует электроду транзистора структуры «р». Знаменатель -  «n».

 

      Образец для шкалы прибора ПИП-2 представлен рисунком 3.

Рис. 3

 

      В таблице 5 представлены подключения транзистора к прибору:

 

а)   - установка желаемого тока базы Iб (коллектор не подключен)

б)  - измерение токоусиления β (выбирается подходящий диапазон миллиамперметра)

в)   - измерение начального тока коллектора Iкн (минимальное сопротивление в цепи базы ограничивается сопротивлением при помощи R13)

г)   - измерение обратного тока коллекторного перехода Iк0

д)  - измерение обратного тока эмитерного перехода Iэ0

 

 

 

Наконец, на рисунке 4 показана схема ПИП-1, а на рисунке 5 – его шкала (без комментариев).

Рис. 4

 

Рис. 5

 

      Конструктивное оформление приборов зависит от имеющегося в наличии материала.


Просмотров: 4076

Комментарии к статье:


Ваще сообщение:
 

 

Добавить комментарий

[B] [I] [u] [S] [2] [2]       [TAB] [∑] [∓] [≈] [≠] [≤] [≥] [π] [×] [√]       [RED] [GRE] [BLU]

[α] [β] [Γ] [γ] [Σ] [σ] [Δ] [δ] [Ω] [ω] [μ] [Λ] [λ]