Измерение тока и напряжения произвольной формы.
В радиолюбительской практике иногда возникает необходимость измерить ток или напряжение, форма которых сильно отличается от синусоидальной. Подобные измерения могут потребоваться, например, когда нужно измерить мощность системного блока компьютера или другого устройства с импульсным источником питания.
Однако большинство бюджетных любительских тестеров могут с достаточной точностью измерять ток и напряжение только синусоидальной формы. Подробнее на http://oldoctober.com/ru/
Приборы позволяющие измерять токи и напряжения произвольной формы дороги, да и необходимость в подобных измерениях возникает крайне редко.
Между тем, прибор позволяющий производить такие измерения можно изготовить самому за каких-нибудь полчаса.
Прибор для измерения напряжения произвольной формы.
Работа прибора основано на том, что световой поток лампы накаливания пропорционален силе протекающего через неё тока, а инертность нити накала лампы обеспечивает правильное считывание показаний с фотодатчика. http://oldoctober.com/ru/
Первый раз, я собрал такой прибор для измерения напряжения накала кинескопа, когда это напряжение начали получать от трансформатора строчной развёртки. В приборе использованы лампы СМН-6-20-1, хотя можно использовать любые другие с малыми токами.
Две шестивольтовые лампы включены последовательно, чтобы продлить их срок службы.
Технические данные миниатюрных ламп накаливания с малым током потребления приведены в конце статьи.
Фотодиод ФД-263 такой, как использовался в системах дистанционного управления телевизорами.
Измерительная головка на 20 - 100 µA.
Для калибровки прибора достаточно подключить его к источнику питания постоянного тока напряжением 6,3 Вольта и установить стрелку в середину шкалы, до совмещения с одной из рисок, при помощи резистора R1 .
Для удобства работы, измерительная головка встроена в корпус прибора. Однако, с таким же успехом, в качестве измерительной головки можно использовать мультиметр или стрелочный тестер.
Лампы и фотоприёмник заключены в трубку из алюминиевой фольги для увеличения светового потока.
Прибор для измерения силы тока произвольной формы.
Другой раз мне понадобился подобный прибор для измерения потребляемой мощности системных блоков компьютеров.
Форма тока, протекающего через входные цепи импульсного блока питания, так сильно отличается от синусоидальной, что при измерении тока обычными любительскими тестерами и мультиметрами, ошибка может достигать 180%.
На картинке осциллограмма тока протекающего во входных цепях импульсного источника питания.
Прибор работает по тому же принципу, что и предыдущий, только вместо напряжения измеряет ток.
Величину шунтирующего резистора R1 нужно подобрать в зависимости от измеряемого тока.
Я использовал для диапазона 20 – 170 Ватт – 4,7 Ом, а для 100 – 250 Ватт – 1,8 Ом (мощность резисторов 5 – 10 Ватт).
Фотоприёмник VD – фотодиод ФД-263.
Лампа EL1 и фотодиод VD1 впаяны в отрезок макетной платы и помещены в пластиковый светонепроницаемый контейнер чёрного цвета от фотоплёнки.
Переключатель S1 (КМ-1-1) - очень важная часть прибора. Чтобы обеспечить достаточную точность измерений, пропускать ток через шунтирующий резистор и лампу, следует только на то короткое время, в которое производится измерение.
Дело в том, что при длительном горении лампы, нагревается колба лампы, фотоприёмник да и сам корпус, что приводит к погрешности в измерениях.
Кроме всего, переключатель S1 защищает лампу от броска тока, который происходит в момент включения нагрузки. Пусковой ток импульсного блока питания ПК может превышать 60 Ампер.
Для замера напряжения на фотодиоде используется бюджетный цифровой мультиметр. Замеры нужно производить с точностью до 0,001 Вольта.
Прибор можно откалибровать по точкам, подключив к источнику постоянного тока. Для удобства можно построить номограммы, наподобие тех, что представлены ниже, а можно просто измерить переменный ток, а затем найти ему соответствие, используя источник постоянного тока.
По представленным номограммам видно в каком диапазоне напряжений возможно использовать указанный фотоприёмник, это примерно от 0,008 до 0,4 Вольта.
Калибровочная таблица для измерителя тока произвольной формы.
По этой таблице легко откалибровать прибор для измерения мощности. Контрольные точки выбраны через каждые 10 Ватт. Это ссылка, по которой можно скачать версию этой таблицы для печати в формате “doc”.
| Мощность (W) | Ток (А) (U=220V) | Напряжение
(V) при R балл. = …… Ом |
Напряжение
(V) при R балл. = …… Ом |
| 25 | 0,11 | ||
| 30 | 0,14 | ||
| 40 | 0,18 | ||
| 50 | 0,23 | ||
| 60 | 0,27 | ||
| 70 | 0,32 | ||
| 80 | 0,36 | ||
| 90 | 0,41 | ||
| 100 | 0,45 | ||
| 110 | 0,50 | ||
| 120 | 0,55 | ||
| 130 | 0,59 | ||
| 140 | 0,64 | ||
| 150 | 0,68 | ||
| 160 | 0,73 | ||
| 170 | 0,77 | ||
| 180 | 0,82 | ||
| 190 | 0,86 | ||
| 200 | 0,91 | ||
| 210 | 0,95 | ||
| 220 | 1,00 | ||
| 230 | 1,05 | ||
| 240 | 1,09 | ||
| 250 | 1,14 | ||
| 260 | 1,18 | ||
| 270 | 1,23 | ||
| 280 | 1,27 | ||
| 290 | 1,32 | ||
| 300 | 1,36 | ||
| 310 | 1,41 | ||
| 320 | 1,45 | ||
| 330 | 1,50 | ||
| 340 | 1,55 | ||
| 350 | 1,59 |
Таблица параметров миниатюрных ламп с малым током потребления.
| Тип лампы | Параметры | Ресурс | Размеры (мм) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| V | mA | Лм | Диаметр | Длина | ||
| СМН 1,5-12 | 1,5 | 12 | 0,04 | 40 | 0.85 | 3.5/60 |
| СМН 6-20 | 6 | 20 | 0.25 | 600 | 3.2 | 9 |
| СМН 6-20-1 | 6 | 20 | 0.25 | 600 | 3.2 | 7/27 |
| СМН 6,3-20 | 6 | 20 | 0.26 | 600 | 3.2 | 9 |
| СМН 6,3-20-2 | 6 | 20 | 0.26 | 600 | 3.2 | 7/27 |
| СМН 6,3-20-3 | 6 | 20 | 0.2 | - | 3.2 | 14 |
| СМН 12-5 | 12 | 5 | 0.002 | 500 | 3.2 | 8/37 |
В столбике "Длина", через дробь, обозначены длина колбы (в знаменателе) и длина выводов (в числителе) для ламп с гибкими выводами.
Недостатки конструкции.
Если при измерении напряжения высокой частоты, предложенный метод лишён существенных недостатков, то точность измерения тока низкой частоты напрямую зависит от инертности нити накала лампы.
Использование лампы с большим номинальным током приводит к ошибкам из-за быстрого нагрева содержимого светонепроницаемого контейнера, а с малым - к ошибкам вызванным недостаточной инертностью нити накала.
Если при измерении тока или напряжения низкой частоты требуется гарантированная погрешность менее 10%, то стоит подумать о более серьёзном приборе.
Близкие темы.
Как самому изготовить киловольтметр.
Подключение непривычных нагрузок и источнику бесперебойного питания (UPS).
Выбор источника бесперебойного питания (ИБП) исходя из мощности нагрузки.
Кликни, если статья понравилась!
Возможно ли с помощью конструкции “Прибор для измерения напряжения произвольной формы” измерять напряжение прямоугольной и пилообразной формы? Например, в ИИП выходной сигнал ШИМ-контроллера, на первичной и вторичных обмотках импульсного трансформатора?
Tocha_62
В данной статье хотя и пишется про измерение напряжения, но на самом деле измеряется среднеквадратичное значение или площадь, описываемая кривой довольно сложной формы. Дело в том, что в данном случае важно не амплитудное значение напряжения, а количество теплоты, выделенное для разогрева катода. Но, при измерении накала кинескопа, удобнее всего ориентироваться на напряжение 6,3 Вольта. Ведь, для измерения тока, который для каждого кинескопа индивидуален, пришлось бы разорвать цепь и тем самым внести некоторые искажения в измерения. Сопротивление нити накала кинескопа мало, и для досочной точности измерений пришлось бы использовать шунт в несколько Ом, чтобы падение напряжения могло разогреть спираль лампы.
Что же касается измерения напряжения правильно формы, то его амплитудное значение можно измерить любительским мультиметром, например, как это описано здесь. Конечно, чтобы снизить погрешность при небольших значениях измеряемого напряжения, нужно вычесть величину напряжения, падающего на диоде.
Если есть осциллограф, даже такой примитивный, то можно не только рассмотреть форму кривой и измерить амплитуду, но и посчитать площадь. Есть у меня в планах статья, в которой опишу, как с помощью компьютера посчитать площадь кривой, наблюдаемой на экране осциллографа.
Оригинальная и простая схема!
Хорошо бы в начале статьи четко обозначить, что приборчик предназначен для измерения активной, или как еще говорят действующей или среднеквадратичной составляющей тока или напряжения. В этих вопросах часто возникает путаница. Обозначаются действующие величины большими буквами без индекса. Например, U I. Действующее значение необходимо знать, когда мы питаем цепи накала, заряжаем аккумуляторы, оцениваем нагрев у деталей… Кроме действующего значения у сигнала измеряют или вычисляют максимальное (то же самое амплитудное, иногда употребляют слово импульсное) значение, обозначаемое Im, Um, Imax, Umax, Iмакс., Uмакс.. Еще есть мгновенное значение, обозначаемое i, u. И, наконец, среднее значение Iср., Uср.
С амплитудным и мгновенным значениями ясно по их названиям. А вот среднее значение определяется, через площадь. (Среднеквадратичное значение можно вычислить по площади мощности, но не по площади тока/напряжения). Если представить импульсы тока/напряжения сосульками, то, растаяв, они покажут уровень среднего тока/напряжения. В электронике со средними значениями мы встречаемся столь же часто, как и с действующими значениями. Напряжение фильтра, стоящего на выходе выпрямителя, детектора будет средним, а не действующим. (Точнее ближе к среднему…). Так же будет и на многих сглаживающих, фильтрующих, измерительных цепочках в схемах…
Конкретный пример. Импульсы тока с амплитудой 10 А и длительностью 1 мс, которые следуют с периодом 10 мс имеют среднее значение тока Iср = 1 А, и действующее значение I =3,16 А. Стрелочные измерительные приборы - у меня было такое ощущение при работе с ними - измеряют как раз среднее значение тока и затем с поправкой градуируются на шкалах в эффективных величинах. Для синусоидального тока этот коэффициент пересчета равен 1,11 (на память. Извиняюсь, если наврал). Для импульсных токов коэффициент пересчета зависит от скважности и формы и может быть совершенно разным. В приведенном примере он равен 3, 16. Цифровые измерительные приборы показывают вообще невесть что при импульсных сигналах…
Михаил Николаевич, вы прямо за живое задели.
Я всё время решаю дилемму, углубляться в свои любимые «мелкие подробности» или нет.
Это вроде бы должно зависеть от того, на какой круг читателей рассчитана статья и какие цели преследует.
Но ведь, если рассчитывать на осведомлённого читателя, то ему подобные подробности ни к чему, а если на малоосведомлённого, то нужно было бы слишком долго и нудно объяснять, начиная с самых азов.
Я бы не был столь категоричен в этом вопросе, если бы не «бумажные» публикации этой и ей подобных моих статей. Как ни странно, но видимо и более искушённые, чем я, издатели тоже придерживаются сходного мнения, раз печатают эти статьи.
Хотя, конечно, пару слов про RMS сказать, наверное, нужно было. Чем руководствовался, когда писал эту статью, сейчас уже не припомню.
Я не придираюсь. Сайт замечательный. Статьи просто супер по своей конкретности. Спасибо! Моя информация просто добавка конкретного справочного материала. Для тех, кому надо.
Михаил Николаевич, и Вам спасибо за дополнительный материал. Просто, постом выше я написал то же самое, только, на мой взгляд, более простыми словами.