Волтметър с високо съпротивление
При измерване на постоянни напрежения в различни части на електронно устройство е важно свързването на волтметър към тях да не причинява забележимо смущение в работата на съответната електрическа верига.Следователно волтметърът трябва да има достатъчно голямо входно съпротивление. На това изискване отговарят волтметри с монтирани на входа полеви транзистори. Това се обяснява с факта, че за тези полупроводникови устройства входното съпротивление може да достигне десетки и дори стотици мегаома.
Принципът на работа на волтметър на транзистор с полеви ефекти е прост. В дренажната верига е включен милиамперметър RA1 (фиг. 1). Ако сондите на волтметъра са съединени накъсо, напрежението на затвора спрямо източника ще бъде 0 и максималният ток ще тече в дренажната верига. За стойността му се съди по отклонението на стрелката RA1. Когато сондите са изключени, резисторът R1 ще бъде свързан между портата и източника. Въпреки това напрежението на затвора все още ще бъде 0, тъй като токът на затвора е незначителен и стрелката на инструмента ще остане на същото място.
Ако сега сондите са свързани към източник на ниско напрежение в полярността, посочена на диаграмата, показанията на устройството PA1 ще намалеят.С увеличаване на напрежението стрелката му ще се приближи до маркировката 0. Такъв волтметър, въпреки че ще работи, има редица значителни недостатъци - показанията са разположени на скалата в обратен ред, а освен това е и нелинеен.
За да се отървете от тези недостатъци, указателното устройство се включва съгласно така наречената мостова схема (фиг. 2). Резисторите R1-R4 образуват рамената на моста, към чиито върхове е свързана батерията GS1. Показателното устройство RA1 е включено в диагонала на моста (между точките А и В). По същество такова устройство се състои от два делителя на напрежение (R1, R2 и R3,R4), свързан към батерията. За да не тече ток по диагонала на моста (стрелката на устройството беше на 0), напрежението между точките A и B трябва да бъде равно на 0. За да направите това, мостът е балансиран (балансиран) - с помощта на резистори R1-R4 се задава режим, в който напреженията на резисторите R2 и R4 ще бъдат равни. Условието за равновесие на моста се изразява с формулата: R1 • R4 = R2 • R3, тоест равновесието на моста се постига, когато произведението на съпротивленията на противоположните рамена е равно.
На практика, вместо постоянен резистор, в едно от рамената на моста (в диаграмата R1) се включва променлив резистор и неговият плъзгач се върти, докато стрелката PA1 се постави на 0.
Сега включваме измервателния уред PA1 в диагонала на моста, чиито леви рамена са вътрешното съпротивление на транзистора V1 (фиг. 3) и резистора R2, а десните рамена са секции на променливия резистор R3, разделени с плъзгач.Придвижвайки го нагоре или надолу по веригата, те намират позиция, в която напреженията в точките А и В са равни. В този случай няма да има ток в диагонала на моста и стрелката на устройството PA1 ще бъде настроена на нула. Чрез измерване на неизвестното напрежение UX, токът на транзистора ще се промени, в резултат на това балансът на моста ще бъде нарушен, тъй като напрежението в точка А също ще се промени и токът ще тече в диагонала на моста. Ако като индикатор за РА! използвайте микроамперметър с 0 в средата, тогава можем да измерим напрежение с всякаква полярност. Такива устройства обаче са рядкост, затова обикновено се използват микроамперметри с 0 в началото на скалата, следвайки полярността на измереното напрежение при свързване на сондите. И за разширяване на границите на измерване, на входа на волтметъра е инсталиран делител на напрежение.
Схема на волтметър с делител на напрежение, състоящ се от пет резистора R1-R5, е показана на фигура 4. Използване на такъв делителизмереното напрежение се намалява до стойност, равна на или по-малка от 1V, и след това се подава към портата на полевия транзистор V1 през разделителната верига R6C1, блокирайки пътя на смущението. РезисторR7 е свързан към веригата източник на VI с такова съпротивление, че спадът на напрежението върху него е около 3 V. Изтичането на транзистора с полеви ефекти се захранва от 4,5 V батерия GB1. Следователно, полупроводниковото устройство е свързано съгласно схемата с общ дренаж, подобно на емитерния последовател. Такова стъпало се характеризира с много висок входен импеданс, значително усилване на тока и единично усилване на напрежението - точно параметрите, които са необходими за волтметър с високо съпротивление.
Вътрешното съпротивление на транзистора V1 и резистора R7 съставляват левите рамена на моста. Дясното му рамо се формира от променлив резистор R3 ("Настройка 0"). Чрез движение на двигателя в една или друга посока мостът се балансира (уредът PA1 показва 0). Ако към входа на волтметъра се приложи измерено напрежение с отрицателна полярност, което не надвишава 10 V по стойност (позицията на превключвателя S1 на диаграмата), напрежението на затвора ще се промени, токът на източника ще намалее. Съответно, спадът на напрежението на резистора R7 също ще намалее, като в същото време напрежението на двигателя на потенциометъра R9 ще остане същото. Сега през индикатора PA1 ще тече ток и стрелката ще се отклони под определен ъгъл надясно, показвайки стойността на измереното напрежение.
Променливият резистор R8 ("K") се използва за точно калибриране на волтметъра, т.е. за настройване на показалеца на инструмента до най-дясното деление на скалата при измерване на граничните напрежения от 1-3-10-30-100 V.
Външният вид на волтметъра е показан в началото на статията. На предния панел с размери 170X80 mm, изработен от метал или пластмаса, има микроамперметър M4204 с пълен ток на отклонение100 uA. В този случай няма да е необходимо да се променя градуирането на стандартната скала, а само да се умножат дяловете съответно с коефициентите 1-0,3-0,1-0,03-0,01. На панела е монтиран и превключвател за граници на измерване.Под него има "+" и "-" гнезда за свързване на измервателни проводници със сонди. Има също ключ за захранване и контроли за калибриране и настройка 0. Корпусът на волтметъра с размери 170X80X45 mm е изработен от тънка (0,3-0,5 mm) калай и боядисан с нитро боя.
Резисторите R1-R5 на делителя на напрежението, транзистора V1 и елементите R6, R7, C1 са запоени директно към клемите на превключвателя S1 (фиг. 5). Над него, с помощта на U-образен държач от калай, е фиксирана батерия 3336L.
Във волтметър можете да използвате полеви транзистор KP302 или KP303 с произволен буквен индекс. Постоянни резистори - MLT или BC за 0,5 или 0,25 W, променливи резистори R8 и R9 - от всякакъв тип, но е по-удобно да се използват малки, например SPZ-46. Кондензаторът C1 трябва да има минимален ток на утечка, например керамичен KM-6, KT-1 с капацитет от 0,01 до 0,068 uF. Превключвател S1 - бисквитен с един борд за 5 или 11 позиции. По-добре е бисквитата да е порцеланова, защото има по-добра изолация. Превключвател за включване - всякакъв тип, например MT-1.
Допустимо е да се замени микроамперметърът с всякаква друга чувствителност от 50, 100, 200 или 300 μA.
Волтметърът може да се захранва от батерия 3336L или от токоизправител 5V (виж М-К № 7, 1983 г., Столова за транзистори).
Калибриране. Ако резисторите R1-R5 са избрани с точност най-малко ± 5%, тогава устройството може да бъде калибрирано при всяка от границите, например 3V (фиг. 6). За да направите това, свържете променлив резистор от всякакъв тип със съпротивление от 1-10 kOhm към 4,5 V батерия. Към двигателяпотенциометър и свържете референтния и калибрирания волтметър към "положителния" извод на батерията и задайте напрежението на 3V на първия, а завъртете стрелката на втория с помощта на резистора R8 ("K") до крайното дясно деление на 100. След това поставете превключвателя S1 на границата от 50V.Стрелката трябва да се премести до разделението с маркировка 30, което съответства на напрежение от 3 V на тази скала. След това отиваме до границата от 30 V - стрелката ще бъде настроена на 10. И накрая, когато преминете към границата от 100 3, стрелката ще бъде между второто и третото деление в самото начало на скалата. Тъй като има 50 деления, следователно, при границата от 100V, едно деление отговаря на напрежение от 2V, а 1,5 деления на 3V.
Започнете измерванията от най-високата граница от 100V, като постепенно преминавате към по-ниски граници, докато стрелката на устройството е в дясната половина на скалата, и след това прочетете показанията на волтметъра.
Преди да започнете измерванията, уверете се, че при включено захранване стрелката е на 0. Ако се понижи малко, тя е настроена на нулево деление с помощта на променлив резистор R9. Ако стрелката се отдалечи достатъчно от 0, батерията е изтощена.
След завършване на измерването изключете захранването с превключвател S2 и настройте превключвателя S1 на границата от 100 V.