W pewnym urządzeniu znajdował się analogowy miliamperomierz prądu przemiennego typu MER-96T. Wysłużony przyrząd nie mieścił się już w swojej klasie, a co gorsza miał błąd nieliniowy, więc próby kalibracji bocznika nie miały sensu. Wobec konieczności wymiany miernika postanowiłem wykonać przystawkę do kitu AVT5339 pozwalającą na pomiaru prądu przemiennego. Układ ten niewątpliwie jest tańszy od miernika analogowego, bardziej dokładny, a ponadto umożliwia pomiar wartości skutecznej prądu odkształconego.
Schemat ideowy proponowanego rozwiązania pokazano na rysunku1. Na wejściu układu pomiarowego włączono bocznik prądowy R2 o rezystancji 1 Ω. Jak łatwo policzyć, gdy płynie przez niego prąd o natężeniu 250 mA, to na boczniku występuje spadek napięcia 250 mV. Napięcie z bocznika jest doprowadzone przez rezystor R1 na przetwornik TRMS typu AD736 (IC1). Diody D1 i D2 zabezpieczają wejście przetwornika. Na wyjściu przetwornika (pin nr 6 układu IC1) włączono filtr dolnoprzepustowy złożony z rezystora R3 i kondensatora C6. Z tego filtru napięcie mierzone jest podawane na wejście wzmacniacza pomiarowego IC2A. W jego pętli sprzężenia zwrotnego pracuje rezystor R12 oraz obwód złożony z opornika R13 i tranzystora T1. Gdy tranzystor T1 jest włączony, wzmacniacz pomiarowy IC2A ma wzmocnienie Ku=100, tak aby prąd 50 mA odpowiadał napięciu 5 V na wyjściu wzmacniacza pomiarowego – to pierwszy zakres pomiarowy. Jeśli tranzystor T1 nie przewodzi, wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego IC2A wynosi Ku=10. To oznacza, że przy prądzie płynącym przez bocznik R2 równym I=250 mA napięcie na wyjściu IC2A wynosi 2,5 V.
Mikrokontroler kitu AVT5339 ma wykorzystane wszystkie wyprowadzenia, więc nie może automatycznie dokonywać zmiany zakresu pomiarowego. Dlatego wykorzystałem drugi wzmacniacz operacyjny precyzyjnego, podwójnego układu wzmacniacza operacyjnego IC2B, aby za jego pomocą automatycznie dokonywać zmiany zakresu pomiarowego. Wzmacniacz IC2B pracuje w konfiguracji komparatora, w której porównuje napięcie z przetwornika TRMS (wejście odwracające IC2B przez R5) z napięciem odniesienia na wejściu nieodwracającym.
Źródło napięcia odniesienia tworzą rezystor R10, dioda D3, kondensator C7 i dzielnik rezystancyjny złożony z R8, R9 i R6. W ten sposób na wejściu nieodwracającym IC2B uzyskujemy napięcie około 40 mV. Jeśli napięcie na wyjściu przetwornika IC1 osiągnie około 50 mV, to wyjście komparator IC2B zostanie wyzerowane wyłączając tym samym tranzystor T1 i obniżając wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego IC2A ze 100 na 10.
Aby uniknąć ciągłych zmian zakresu pomiarowego w sytuacji, gdy mierzony sygnał ma wartość w okolicach końca pierwszego zakresu pomiarowego, wprowadzono pętlę histerezy przez zastosowanie rezystora R7 w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego komparatora IC2B. Dzięki temu przejście z pierwszego zakresu pomiarowego na drugi odbywa się przy prądzie o natężeniu około 50 mA, a z drugiego na pierwszy około 40 mA.
Tranzystor T2, sterowany również z komparatora IC2B wykrywającego zmianę zakresu, załącza kropkę środkowego wyświetlacza 7-segmentowego LED kitu AVT5339.
Przetwornik IC1 i wzmacniacz pomiarowy IC2 wymagają zasilania napięciem symetrycznym, więc zastosowałem przetwornicę napięcia typu ICL7660 (IC3), która wytwarza on ujemne napięcie zasilania. W ten sposób przetwornik może być zasilany ze wspólnego napięcia 9 V wraz z modułem AVT5339. Jeśli chcielibyśmy zasilać przyrząd napięciem 12 V, to należałoby jako IC3 zastosować układ ICL7662, który ma wyższe napięcie wejściowe. Reszta obwodu pozostaje bez zmian.
Montaż i uruchomienie
Amperomierz zmontowano na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 46 mm × 44 mm, której schemat montażowy pokazano na rysunku2. W montażu pomocne będą też fotografie3, 4 i 5 pokazujące gotowy miliamperomierz. Montaż najlepiej rozpocząć od elementów SMD. Następnie należy wlutować zwory, a na końcu pozostałe elementy przewlekane. Jako bocznik prądowy można zastosować gotowy bocznik ze starego multimetru (należy sprawdzić jego rezystancję) lub nawinąć odpowiednim drutem własny. Typowy rezystor 1 V nie nadaje się, ponieważ pod wpływem przepływającego prądu będzie się nagrzewał i tym samym zmieniał swoją rezystancję.
Po zmontowaniu urządzenia należy je uruchomić. Część analogową uruchamiamy bez kitu AVT5339. Najpierw należy doprowadzić napięcie zasilania +9 V, najlepiej ograniczone prądowo do około 50 mA, aby w razie pomyłki w montażu niczego nie uszkodzić. Po włączeniu napięcia należy sprawdzić obecność ujemnego napięcia zasilania -9 V, aby potwierdzić poprawne działanie konwertera napięcia IC3. Następnie należy połączyć wejście układu szeregowo z multimetrem pracującym na zakresie „mA AC” – będzie on stanowił nasz wzorzec. Aby wymusić przepływ prądu najlepiej posłużyć się transformatorem o małej mocy oraz rezystorem, ustalić prąd na wartość około 100 mA AC. Przy tym prądzie, na wyjściu wzmacniacza pomiarowego (pin nr 6 układu IC2A) powinniśmy uzyskać napięcie około 1 V DC. Na bramce tranzystora T1 powinno być ujemne napięcie – rezystor R13 nie wpływa na wzmocnienie wzmacniacza IC2A. Na kondensatorze C6 powinno być około 100 mV DC, co oznacza, że przetwornik TRMS (IC1) działa poprawnie. Wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza pomiarowego IC2A należy skorygować rezystancją R11. Zmniejszenie wartości rezystora zmniejsza napięcie wyjściowe. Najlepiej do istniejącego R11 (39 kV) dolutować równolegle rezystor korygujący. Po otrzymaniu poprawnej wartości napięcia na wyjściu wzmacniacza pomiarowego należy obniżyć wartość prądu mierzonego do wartości około 11 mA (zwiększyć rezystor połączony szeregowo z wejściem układu, multimetrem i transformatorem). Przy takim prądzie na bramce tranzystora T1 powinno występować napięcie powyżej 6 V – poprawnie działa układ komparatora IC2B. Jeśli tak nie jest, to należy sprawdzić napięcie referencyjne na rezystorze R6, które powinno wynosić około 40 mV.
Przy włączonym tranzystorze T1 prądzie o natężeniu 100 mA AC na wyjściu wzmacniacza pomiarowego IC2A powinno być napięcie 1 V. Wartość tego napięcia należy skorygować rezystorem R13 (jak poprzednio korygowana była wartość R11). Po uzyskaniu poprawnych wartości napięcia wyjściowego wzmacniacza pomiarowego można do układu podłączyć część cyfrową z wyświetlaczem tzn. kit AVT5339. Wcześniej kit powinien być zmontowany i sprawdzony zgodnie z opisem EP 04/2012. W module AVT5339 należy wylutować rezystor R9 (przecinek na drugiej cyfrze). Moduł AVT5339 wsuwa się w złącze części analogowej. Przewodem jedynie należy połączyć dren tranzystora T2 z segmentem h (przecinek) drugiej cyfry wyświetlacza (odlutowany R9). W razie potrzeby skorygować wskazania potencjometrem modułu AVT5339.
Błędy pomiarowe mierników analogowych podaje się jako różnicę wskazań między wzorcem i miernikiem badanym w % w stosunku do zakresu pomiarowego. Natomiast dla mierników cyfrowych jest to różnica między wzorcem i miernikiem badanym w % względem mierzonej wartości ± błąd kwantyzacji (dane przetwornika A/C). Wspomniany miernik analogowy miał deklarowaną dokładność 2,5%. Po przeliczeniu wykonana wersja cyfrowa w najgorszym przypadku ma błąd rzędu 1,2%.
Zaloguj
