Измерение тока и напряжения произвольной формы


Измерение тока и напряжения произвольной формы

UPS

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 https://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.


Самые интересные ролики на Youtube

Смотреть на Youtube Смотреть на Youtube Смотреть на Youtube Смотреть на Youtube

Прибор для измерения напряжения произвольной формы.

UPS

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. https://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.

UPS

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%.

UPS


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.

UPS

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.

UPS

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.


UPS
UPS

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/Длина выводов
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.






Нашли ошибку в тексте?Выделите ошибочный текст мышкой и нажмите Ctrl + Enter
Спасибо за помощь!

Комментарии (31)

Tocha_62Июнь 22nd, 2011 at 12:32

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?

adminИюнь 22nd, 2011 at 14:18

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.

Михаил НиколаевичМарт 10th, 2012 at 17:54

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…

adminМарт 10th, 2012 at 19:13

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.

Михаил НиколаевичМарт 11th, 2012 at 21:33

Я не придираюсь. Сайт замечательный. Статьи просто супер по своей конкретности. Спасибо! Моя информация просто добавка конкретного справочного материала. Для тех, кому надо.

adminМарт 11th, 2012 at 22:27

Михаил Николаевич, и Вам спасибо за дополнительный материал. Просто, постом выше я написал то же самое, только, на мой взгляд, более простыми словами.

НиколозМарт 10th, 2014 at 16:47

У меня один раз была задача измерить ток якоря ДПТ, который запитывался от транзисторного моста управляемого от микросхемы-драйвера и микроконтроллера. Я поступил так: включил резистор последовательно якорю, а паралельно резистору включил осциллограф с памятью. Данные с осциллографа для конкретного временного промежутка выгрузил в эксел. С помощью функции эксел определил среднеквадратическое значение тока.

НиколозМарт 10th, 2014 at 16:57

Admin, углубляться в детали, мелкие подробности необходимо и очень важно. Что касается этой дилемы сначало надо абстрагироваться от деталей и попытаться рассказать о сути задачи и её решения делая упор на физический смысл явлений. К сожалению у меня возникают проблемы когда излагая достаточно подробно собеседнику содержание задачи я сталкиваюсь с тем, что собеседнику не хватает терпения дослушать меня, и он начинает делать скорополительные выводы об изложеном. Поэтому, я стараюсь абстрагироваться от технических деталей в начале изложения любого вопроса. (В том числе бытового, обыденного). Взаимопониманию с людьми это практически помогает. С уважением.

adminМарт 10th, 2014 at 19:18

Николоз, сейчас всё меньше и меньше читают, так что, сами статьи скоро будет «читать» только поисковые боты. Люди, либо оценивают информацию по картинкам, либо смотрят видео. Так что, чем тратить силы и время на совершенствование текста, лучше просто рассказать всё голосом и показать на экране. Этим теперь и занимаюсь. Нужно будет как-то попробовать снять ролик на тему одной из старинных статей.

Насчёт замера тока, если питание от постоянного тока. Ток можно замерить и с помощью обычного осциллографа. В Photoshop-е есть инструмент для измерения площади. Конечно, это не так красиво, как цифрами, но, если очень нужно…

РемонтникМай 10th, 2014 at 21:06

Очень нужная тема.
Сразу скажу, подобную схему встречал, но даже мысли не было ее сделать, по той причине, что нелинейность сопротивления лампы непредсказуема. Только в качестве пробника и на известное заранее напряжение.
Усложнять схему тоже не надо, мне в голову пришло только использовать 2-х полупериодный выпрямитель+сглаживающий конденсатор+головка измерительная. Это как минимум точность в 2 раза выше ! Опять же и входное сопротивления измерителя выше. Но это для случая, если верхняя и нижняя отличаются по форме и амплитуде.
Если форма импульса симметрична, то можно использовать один диод (1-полупериодный), отличие только одно — напряжения в 2 раза ниже для измерительной головки.
Такой пробник у меня есть, диод КД503, резистор, С=10 нф , для измерения U используется китайский мультик. Меня устраивает, на 200 Мгц измерять можно 1 вольт и выше с приемлемой точностью.
Можно и измерительную головку от магнитофона использовать, только резистор нужен ограничительный. Фишка в том, что резистор стоит между диодом и С, это повышает входное сопротивление.

А насчет ламп — статья вредная, кто не знает — разочаруется в результате. Вы забыли сказать что у этого пробника низкое входное сопротивление и он имеет узкое применение. А то вот так сделают, начнут мерять в мобилке, а она вдруг полностью сгорела от этого.
Переделайте статью, не все понимают тонкости).

РемонтникМай 10th, 2014 at 21:37

Забыл добавить, для прямоугольных импульсов моя схема пробника теоретически не должна работать (для китайского мультика).
Но для измерительной головки+резистор это должно работать, там усреднение импульса идет за счет резистора. Проверьте, у меня другие задачи, мне это не надо. Сегодня нашел ваш сайт, очень грамотный, мне нравится очень. Почитал с удовольствием, не то что эти форумы с руганью. Примечание=. Я иногда по рациям работаю, сделал пробник на диоде Д405+резистор+головка от магнитофона (то есть диод как генератор постоянного напряжения работает). Очень удобно, подносишь рацию к пробнику и сразу видишь, на передаче полная мощность или нет. Если нет, то либо антенна несогласована, либо выходной полевик умирает, очень удобно и быстро.
Может это вам пригодится )))

adminМай 10th, 2014 at 22:56

Усложнять схему тоже не надо, мне в голову пришло только использовать 2-х полупериодный выпрямитель+сглаживающий конденсатор+головка измерительная.

Это не позволит измерить действующее напряжение или ток.

Прибор на основе лампочки, это по сути прибор теплового типа, которые широко применялись в доцифровую эпоху для подобных измерений.

AmwДекабрь 5th, 2014 at 00:10

«Работа прибора основано на том, что световой поток лампы накаливания пропорционален силе протекающего через неё тока»
Это уже полная чушь, как, впрочем, и всё остальное…
Неважно, как мы посчитаем мощность ЛЮБОГО прибора с ЛЮБОЙ ФОРМОЙ потребляемого тока — важно как её посчитает наш электросчетчик!!!
Поэтому им и надо мощность мерить…

adminДекабрь 5th, 2014 at 00:21

Amw, вы недооцениваете современные счётчики, если собираетесь их обманывать, без проникновения на сторону поставщика энергии.

AmwДекабрь 5th, 2014 at 02:29

С чего Вы это взяли, что я собираюсь обманывать счетчик? Это Вы обманываете неизвестно кого, предлагая неправильные методики и сопровождая их безграмотными комментариями.

adminДекабрь 5th, 2014 at 03:53

Amw, вы пиши’те или здесь, или в форуме, а то я вынужден разрываться меж двух огней. Предложенный мною метод, это всего лишь небольшое усовершенствование давно забытого метода измерений, которому сто лет в обед.

Я ответил вам в форуме и привёл пример>>>

МихаилМай 10th, 2015 at 22:45

А можно использовать для этих целей оптрон с лампочкой, типа оэп-11/12? Данные считывать в виде сопротивления, а не напряжения.

adminМай 10th, 2015 at 23:18

Да, Михаил, конечно можно. Я помню эти оптопары. Они когда-то использовались в первых советских электромузыкальных инструментах. Так как найти замену было невозможно, то приходилось вскрывать их сверху и заменять лампочку на лампу типа СМН. Потом отверстие заклеивалось чёрной бумагой, в которую упаковывали фотобумагу.

РемонтникМай 11th, 2015 at 00:01

Там свои нелинейности графика. У лампы от нуля и синусоида, у светодиода линейная, но надо учитывать наклон характеристики и напряжение зажигания.
Просто надо учесть погрешность, какая требуется.
Проще конечно лампочка, если не требуется точность.

Все-таки, мое мнение выше, не изменилось.
Если уж измерять точно, то надо резистор+терморезистор, линейность обалденная, но и время измерения большое. Но зато это лучший вариант )

VolodimirНоябрь 25th, 2015 at 17:20

Ошибка в описании размеров лампочек СМН. Длина колбы — числитель, длина выводов — знаменатель. О принципе измерения. По логике терморезистор, конечно предпочтительнее лампы накаливания и фоторезистора, или фотодиода. Более линейная характеристика на определённом интервале токовых значений. Вообще, практика критерий истины, посему надо пробовать разные варианты.

adminНоябрь 25th, 2015 at 18:33

Спасибо Volodimir! Исправил.

МихаилФевраль 21st, 2016 at 19:52

А если вместо лампочек применить диоды и сглаживающий конденсатор получим тот же эффект?

adminФевраль 21st, 2016 at 20:26

Михаил, подобные схемы существуют, но обычно они заточены под определенную форму тока и калибруются на определённой нагрузке. Но, тогда возникает вопрос, с помощью чего калибровать… Если есть прибор для калибровки, то что мешает его использовать для измерений…

МихаилФевраль 22nd, 2016 at 16:16

Юрий, есть необходимость измерять токи в районе 30-40а (100-300 кгц). А что если сначала применить трансформатор тока со своим шунтом, а уже к нему подключать лампу. Разумеется, все прикинуть. Просто шунт прямого включения будет рассеивать огромную мощность, чтобы получить на нем 3-5в.

adminФевраль 23rd, 2016 at 09:31

Михаил, основная проблема, возникающая при конструировании любых приборов, — метрологическая. Я не знаю, как откалибровать прибор, в котором используется импульсный трансформатор. Но, отвечая на ваш вопрос, мне в голову пришла идея. В качестве датчика больших токов можно использовать биметаллический элемент и чувствительной датчик положения, например, ёмкостного или индукционного типа. Тогда прибор можно будет откалибровать на постоянном токе.

МихаилФевраль 23rd, 2016 at 15:00

Юрий, это будет тоже непросто, нужна жесткость конструкции. Лучше тогда взять низкоомный резистор, приклеить к нему датчик температуры, обмотать теплоизолятором и сделать таблицу соответствий на постоянном токе :) Только инертность будет огромная. А вообще мне надо контролировать ток через транзисторы, то есть мне нужно пиковое значение, хотя ток и близок к синусоиде. Я уже думаю включить в разрыв минусового провода обычный стрелочный амперметр (после фильтрующей емкости) и смотреть полный ток полумоста. Результат умножить на 1,4 и поделить на 2. Думаю точность будет не ниже чем у самодельного показометра. В принципе результат совпадает с показанным осциллографом.

adminФевраль 23rd, 2016 at 15:09

Михаил писал: А вообще мне надо контролировать ток через транзисторы…

Может быть вам это подойдёт>>>

МихаилФевраль 23rd, 2016 at 15:22

Ну это по сути и есть пиковый детектор, емкость накачается до пиков. Используя трансформатор тока с известным Ктр и резистор известного сопротивления все можно просчитать, но на результат будет влиять сопротивление вольтметра (будет просаживать напряжение) и падение на диоде.

adminФевраль 23rd, 2016 at 16:03

Михаил, влиянием вольтметра можно пренебречь, так как входное сопротивление современных мультиметров 10МОм, а нагрузки 4-8 Ом или меньше. Падение напряжения на диоде тоже известно. Хотя, если использовать генератор НЧ вместо музыкльного сигнала, то диод не нужен, а амплитудное значение сигнала можно просто рассчитать. Судя во всему, вы пытаетесь произвести обычные измерения, которые требуются при ремонте или настройке звукоусилительной аппартуры. Для этого не нужны никакие специальные приборы или методы измерений. А вот осциллограф вам бы иметь не помешало, хотя бы для того чтобы визуально оценить форуму сигнала и особенно момент переключения (отсутствие «полки» при регулировка тока покоя).

NickFМарт 22nd, 2018 at 19:12

Все то же самое, но я счастливый обладатель ОЭП-1 и мне необходимо было померить напряжение накала импортных кинескопов в связи с частой заменой одних кинескопов другими. Градуировка в одной точке 6.3 В. Измеряю м/метром сопротивление фоторезистора оптрона.

СергейЯнварь 2nd, 2019 at 18:08

Написано: «я счастливый обладатель ОЭП-1 и мне необходимо было померить напряжение накала импортных кинескопов». Не в коем случае так не делайте. Готовые советские оптроны (типа ОЭП лампочка+фоторезистор) обладают очень низкой термостабильностью т. к. собраны в едином корпусе из оргстекла. Я делал такой прибор когда мы привозили импортные кинескопы. Обычно он начинал врать уже при проверке 3-го кинескопа и причём в большую сторону. Если прибором пользуешься больше 2-х минут, а это неизбежно при настройке накала кинескопа, то лампа оптрона сильно разогревает корпус и тепло передаётся фоторезистору у которого начинают меняться характеристики. Подключите прибор и оставьте включенным на 5 минут. Спустя некоторое время вы увидите совсем другие показания чем вначале работы. Мы убрали этот недостаток очень легко: примените 2 оптрона. Заключите их в одну трубочку с небольшой воздушной прослойкой между ними. В оптронах прийдётся срезать верхнюю металлическую крышку корпуса для обеспечения светового потока между ними. После этого работа прибора стабильна. Хоть сутки пользуйся не выключая.

Оставить комментарий

Загрузка...