Статический вольтметр своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 06.09.2024

В сегодняшнем занятии мы рассмотрим вариант изготовления самодельного цифрового вольтметра для измерения напряжения на одиночном элементе питания. Пределы измерения напряжения 1-4.5 Вольт. Внешнее дополнительное питание, кроме измеряемого, не требуется.

25 лет назад у меня был кассетный плеер. Питал я его Ni-Cd аккумуляторами НКГЦ-0.45 ёмкостью 450мА/ч. Чтобы в дороге определять какие аккумуляторы уже сели, а какие ещё поработают было сделано простое устройство.

Батарейно-аккумуляторный диагностическо-измерительный комплекс.

Он собран по схеме преобразователя напряжения на двух транзисторах. На выход включен светодиод. Параллельно входу, подключаемому к аккумулятору включен резистор, намотанный из нихрома. Таким образом, если аккумулятор способен отдавать около 200мА, то светодиод загорается.

Из недостатков — размеры контактов жестко выгнуты на длину АА элемента, все прочие типоразмеры подключать не удобно. Ну и напряжение не видно. Поэтому в век цифровых технологий захотелось сделать более высокотехнологичное устройство. И конечно на микроконтроллере, куда без него :)

Итак, схема проектируемого устройства.

Используемые детали:
1. OLED дисплей с диагональю 0.91 дюйм и разрешением 128x32 (около $3)
2. Микроконтроллер ATtiny85 в корпусе SOIC (около $1)
3. Boost DC/DC Converter LT1308 от компании Linear Technology. ($2.74 за 5 штук) LT1308 manual
4. Конденсаторы керамические, выпаяны из неисправной видеокарты.
5. Индуктивность COILTRONICS CTX5-1 или COILCRAFT DO3316-472.
6. Диод Шоттки, я использовал MBR0520 (0.5A, 20V)

Преобразователь напряжения LT1308

Характеристики из описания LT1308:

Обещают 300мА 3.3В с одного элемента NiCd, нам подходит. Выходное напряжение устанавливается делителем, резисторы 330кОм и 120кОм, при указанных номиналах выходное напряжение преобразователя получается около 4.5В. Выходное напряжение выбиралось достаточным для питания контроллера и дисплея, чуть выше максимального измеряемого напряжения на литиевом аккумуляторе.

Для раскрытия всего потенциала преобразователя напряжения нужна индуктивность, которой у меня нет (см. пункт 5 выше), поэтому собираемый мной преобразователь имеет заведомо худшие параметры. Но и нагрузка у меня совсем небольшая. При подключении реальной нагрузки из микроконтроллера и OLED дисплея получается такая нагрузочная таблица.

Прекрасно, идём дальше.

Особенности измерения напряжения микроконтроллером

Микроконтроллер ATtiny85 имеет АЦП разрядностью 10 бит. Поэтому считываемый уровень лежит в диапазоне 0-1023 (2^10 ). Для перевода в напряжение используется код:

Установить источник опорного напряжения analogReference(INTERNAL).
Снять показания АЦП для внутреннего источника 1.1 В.
Расчитать значение Vcc основываясь на измерении 1.1 В по формуле:

На просторах интернета была найдена функция для измерения напряжения питания контроллера:

Код я отлаживал на платке Digispark в среде arduino IDE. После чего ATtiny85 была выпаяна и припаяна на макетку. Собираем макетную плату, подстроечным резистором выставляем напряжение на выходе преобразователя (сначала я выставлял на выходе 5В, при этом ток на входе преобразователя был под 170мА, уменьшил напряжение до 4.5В, ток снизился до 100мА). Когда ATtiny85 припаяна на макетку код приходится заливать с помощью программатора, у меня обычный USBash ISP.

Первый раз я облажался и протравил зеркальную плату, причем заметил это только когда начал паять элементы.

Припаиваем. SMD индуктивность 4,7мкГн была мне любезно предоставлена SS_SerG, большое спасибо, Сергей.

Собираем бутерброд из платы и экрана. На концах проводов я припаял небольшие магниты, вольтметр сам прищелкивается к измеряемому аккумулятору. Неодимовые магниты при нагреве выше 80 градусов теряют магнитные свойства, поэтому паять нужно легкоплавким сплавом Вуда или Розе очень быстро. Еще раз проводим калибровку и проверяем точность измерения:

Обманул, бонуса нет, простите.
Предвидя комментарии, что устройство с подобным и даже лучшим функционалом можно купить на Али сразу соглашусь без торговли. Вот оно, ищется по названию BT-168D. Стоит около $4.

Код программы, библиотеку OLED дисплея и печатную плату можно скачать ПО ССЫЛКЕ

Если вольтметр постоянного тока дополнить выпрямителем, преобразующим переменное напряжение в постоянное (точнее — пульсирующее), получим вольтметр переменного тока. Возможная схема такого прибора с однополупериодным выпрямителем показана на рис.2. Работает прибор следующим образом. В те моменты времени, когда на левом (по схеме) зажиме прибора положительная полуволна переменного напряжения, ток идет через диод Д1 и далее через микроамперметр к правому зажиму. В это время диод Д2 закрыт. Во время положительной полуволны на правом зажиме, диод Д1 закрывается, и положительные полуволны переменного напряжения замыкаются через диод Д2, минуя микроамперметр.
Добавочный резистор Rд рассчитывают так же, как и для постоянных напряжений, но полученный результат делят на 2,5-3, если выпрямитель прибора однополупериодный, или на 1,25-1,5, если выпрямитель прибора двухполупериодный — рис.3. Более точно сопротивление этого резистора подбирают опытным путем во время градуировки шкалы прибора. Можно рассчитать Rд и по другим формулам. Сопротивление добавочных резисторов вольтметров выпрямительной системы, выполненных по схеме на рис.2, вычисляют по формуле:
Rд = 0,45*Uп/Iи – (Rп + rд);
Для схемы на рис.3 формула имеет вид:
Rд = 0,9*Uп/Iи – (Rп + 2rд); где rд – сопротивление диода в прямом направлении.
Показания приборов выпрямительной системы пропорциональны средне выпрямленному значению измеряемых напряжений. Шкалы же их градуируют в среднеквадратических значения синусоидального напряжения, поэтому показания приборов выпрямительной системы равны среднеквадратичному значению напряжения лишь при измерении напряжений синусоидальной формы. В качестве выпрямительных диодов используются германиевые диоды Д9Д. Такими вольтметрами можно измерять и напряжение звуковой частоты до нескольких десятков килогерц. Шкалу для самодельного вольтметра можно начертить с помощью программы FrontDesigner_3.0_setup.

В некоторых случаях требуется измерять очень большие напряжения (десятки киловольт). Для таких целей существуют специальные приборы - киловольтметры. Покупать такой прибор есть смысл только когда вам нужно довольно часто измерять киловольты, а вот в повседневной радиолюбительской практике можно обойтись и простым мультиметром.

Для того, чтобы мультиметром можно было измерять высокие напряжения вместе с ним нужно использовать высокоомный высоковольтный делитель напряжения. На рисунке ниже показана схема такого делителя. Он состоит из десяти резисторов сопротивлением по 68 МОm каждый, включенных последовательно, и одного резистора на 68 kOm.

Высокоомные резисторы образуют одно плечо делителя, - сопротивление 680 МОm, а второе плечо образует резистор 68 kOm. Получается делитель напряжения на 10000.

Все резисторы должны быть крупными (2W). а монтаж нужно выполнить, расположив все резисторы равномерно в линейку, так, чтобы расстояние между клеммами Х1 и Х2 было не менее 200мм. Изоляция должна выдерживать большое напряжение. Схему можно собрать объемным способом и поместить внутрь стеклянной трубки, концы которой закрыть резиновыми пробками (через них выпустить провода).

Можно сделать монтаж на листе органического стекла, на котором установить клеммы. В любом случае, монтаж должен исключать возникновение токов утечки, а диэлектрические свойства основы должны соответствовать величине измеряемого напряжения.

ВНИМАНИЕ! при работе с прибором нужно соблюдать все меры предосторожности при работе с высоковольтными установками.
Приставка НЕПРИГОДНА для измерения напряжений в высоковольтных линиях электропередачи и промышленных электроустановках

Можно измерять напряжения только на выходах умножителей, импульсных источников, схем развертки, и в других подобных схемах.

Инструменты

Измерительные головки чётко информируют, сколько вольт и миллиампер идёт на заряжаемый аккумулятор. Вот только далеко не везде есть возможность их использовать, даже самые маленькие из них, зачастую всё равно будут непомерно большими для многих радиолюбительских самоделок. А вот стрелочные индикаторы от магнитофонов и других радиотехнических устройств прошлого века, которые не перевелись на базарах до сих пор, будут тут в самый раз. Вот некоторые из них:

Стрелочный индикатор М476 предназначен для работы в цепях постоянного тока, при любом положении шкалы. Ток полного отклонения (зависит от модели) 40 – 300 мкА. Внутреннее сопротивление 4000 Ом. Длина шкалы – 28 мм, масса 25 гр.

Стрелочный индикатор М4762 предназначен для работы при вертикальном положении шкалы. Ток отклонения 220 – 270 мкА. Внутреннее сопротивление 2800 Ом. Размеры 49 х 45 х 32 мм. Длина шкалы – 34 мм.

Стрелочный индикатор М68502 предназначен для работы при любом положении шкалы. Ток полного отклонения не более 250мкА. Внутреннее сопротивление 1000 Ом. Размеры 21,5 х 60 х 60,5 мм. Масса 30 гр. Эти индикаторы и им подобные объединяет:

небольшой размер
простота конструкции
низкая стоимость
и, конечно же, принцип действия

Принцип действия основан на взаимодействии двух магнитных полей. Поля постоянного магнита и поля, образованного током, проходящим по бескаркасной рамке, которая состоит из большого числа (115 – 150) витков медного провода диаметром всего 8 – 9 микрон. Не вникая в нюансы можно назвать два основных действия, которые необходимо произвести для того, чтобы стало возможным использовать имеющийся индикатор:

Оснастить его шунтом или добавочным сопротивлением (применяются для изменения верхнего предела измерения), в зависимости от того как будете его использовать (вольтметр / амперметр).
Изготовить новую шкалу.

Подбор шунта – подходящий по мощности низкоомный резистор ставим на контакты индикатора, параллельно ему переменный резистор с большим сопротивлением, выставляем ток, на который будет использоваться индикатор, вращением переменного резистора устанавливаем стрелку на крайнее правое деление шкалы.

Потому, насколько качественно эта операция выполнена и какой клей применён, можно судить о том родились ли Вы под счастливой звездой )). Будем открыть индикатор М4762, на мой взгляд, самый сложный вариант. Но даже если был применён дихлорэтан, отчаиваться не стоит, так как он наверняка растворил только верхний слой органического стекла – материала, из которого изготовлен корпус. Поэтому берём в руки надфиль с крупной насечкой и обтачиваем по периметру место соединения двух половинок корпуса, равномерно со всех сторон.

В процессе обтачивания периодически необходимо пробовать разъединить половинки корпуса, прилагая при этом какое-то усилие. В результате всё получилось.

Изготовить новую шкалу не сложно:

сканируем старую
вставляем изображение в специализированный графический редактор Sprint-Layout
обрисовываем
распечатываем
вырезаем и клеим по месту

Что там ни говори, а даже самый простой пробник с индикатором – это уже целый измерительный прибор!

Обсудить статью СТРЕЛОЧНЫЕ ПРИБОРЫ – ИНДИКАТОРЫ

Ситуации, когда под рукой должен находиться вольтметр, встречаются достаточно часто. Для этого нет необходимости использовать заводской сложный прибор. Изготовить простенький вольтметр своими руками – не проблема, потому что состоит он из двух элементов: стрелочный измерительный блок и резистор. Правда, необходимо отметить, что пригодность вольтметра определяется его входным сопротивлением, которое состоит из сопротивлений его элементов.

Но необходимо учитывать тот факт, что резисторы есть разные с разными номиналами, а это говорит о том, что от установленного резистора будет зависеть входное сопротивление. То есть, подобрав правильно резистор, можно сделать вольтметр под замеры определенных уровней напряжений сетей. Сам же измерительный прибор чаще оценивается по показателю – относительное входное сопротивления, приходящееся на один вольт напряжения, его единица измерения – кОм/В.

То есть, получается так, что входное сопротивления на разных измеряемых участках разное, а относительная величина – показатель постоянный. К тому же, чем меньше отклоняется стрелка измерительного блока, тем больше относительная величина, а, значит, точнее будут измерения.

Прибор для измерения нескольких пределов

Кто не раз сталкивался с транзисторными конструкциями и схемами знает, что очень часто вольтметром приходится замерять цепи с напряжением от десятков долей одного вольта до сотен вольт. Простой приборчик, изготовленный своими руками, с одним резистором это не осилит, поэтому в схему придется подключить несколько элементов с разным сопротивлением. Чтобы вы поняли, о чем идет речь, предлагаем ознакомиться со схемой, расположенной снизу:

На ней показано, что в схеме установлено четыре резистора, каждый из которых отвечает за свой диапазон измерений:

От 0 вольт до единицы.
От 0 вольт до 10В.
От 0 В до 100 вольт.
От 0 до 1000 В.

Номинал каждого резистора поддается подсчету, который проводится на основе закона Ома. Здесь используется следующая формула:

Rп – это сопротивление измерительного блока, возьмем, к примеру. 500 Ом;
Uп – это максимальное напряжение измеряемого предела;
Iи – это сила тока, при которой стрелка отклоняется до конца шкалы, в нашем случае – 0,0005 ампер.

Для несложного вольтметра из китайского амперметра можно выбрать следующие резисторы:

для первого предела – 1,5 кОм;
для второго – 19,5 кОм;
для третьего – 199,5;
для четвертого – 1999,5.

А вот относительная величина сопротивления этого прибора будет равна 2 кОм/В. Конечно, расчетные номиналы не совпадают со стандартными, поэтому резисторы придется подбирать близкими по значению. Далее проводится финишная подгонка, при которой производится градуировка самого прибора.

Как переделать вольтметр постоянного напряжения в переменное

Показанная на рисунке №1 схема – это вольтметр постоянного тока. Чтобы его сделать переменным или, как говорят специалисты, пульсирующим, необходимо в конструкцию установить выпрямитель, с помощью которого постоянное напряжение преобразуется в переменное. На рисунке №2 вольтметр переменного тока показан схематически.

Данная схема работает так:

когда на левом зажиме находится положительная полуволна, то открывается диод D1, D2 в этом случае закрыт;
напряжение проходит через амперметр к правому зажиму;
когда положительная полуволна находится на правом конце, то D1 закрывается, и напряжение через амперметр не проходит.

В схему обязательно добавляется резистор Rд, сопротивление которого рассчитывается точно так же, как и остальные элементы. Правда, его расчетное значение делится на коэффициент, равный 2,5-3. Это в том случае, если в вольтметр устанавливается однополупериодный выпрямитель. Если используется двухполупериодный выпрямитель, то значение сопротивления делится на коэффициент: 1,25-1,5. Кстати, схема последнего изображена на рисунке №3.

Как правильно подключить вольтметр

Тот, кто не знает, но хочет проверить напряжение на каком-то участке электрической сети, должен задаться вопросом – как подключить вольтметр? Это на самом деле серьезный вопрос, в ответе которого лежит простое требование – подключение вольтметра необходимо проводить только параллельно нагрузке. Если будет произведено последовательное подключение, то сам прибор просто выйдет из строя, и вас может ударить током.

Все дело в том, что при таком соединении уменьшается сила тока, действующая на сам измерительный прибор. При этом сопротивлении его не меняется, то есть, остается большим. Кстати, никогда не путайте вольтметр с амперметром. Последний подключается к цепи последовательно, чтобы снизить показатель сопротивления до минимума.

И последний вопрос темы – как пользоваться вольтметром, изготовленным самостоятельно. Итак, в вашем приборе два щупа. Один подключается к нулевому контуру, второй к фазе. Так же можно проверить напряжение через розетку, предварительно определив, к какому гнезду запитан ноль, а к какому фаза. Или соединяете параллельно прибор к измеряемому участку. Стрелка измерительного блока покажет величину напряжения в сети. Вот так пользуются этим самодельным измерительным прибором.

Рассмотрены не сложные схемы цифровых вольтметра и амперметра, построенных без использования микроконтроллеров на микросхемах СА3162, КР514ИД2. Обычно, у хорошего лабораторного блока питания есть встроенные приборы, – вольтметр и амперметр. Вольтметр позволяет точно установить выходное напряжение, а амперметр покажет ток через нагрузку.

В старых лабораторных блоках питания были стрелочные индикаторы, но сейчас должны быть цифровые. Сейчас радиолюбители чаще всего делают такие приборы на основе микроконтроллера или микросхем АЦП вроде КР572ПВ2, КР572ПВ5.

Микросхема СА3162Е

Но существуют и другие микросхемы аналогичного действия. Например, есть микросхема СА3162Е, которая предназначена для создания измерителя аналоговой величины с отображением результата на трехразрядном цифровом индикаторе.

Чтобы получить законченный прибор нужно добавить дешифратор для работы на семисегментный индикатор и сборку из трех семисегментных индикаторов, включенных в матрицу для динамической индикации, а так же, трех управляющих ключей.

Тип индикаторов может быть любым, -светодиодные, люминесцентные, газоразрядные, жидкокристаллические, все зависит от схемы выходного узла на дешифраторе и ключах. Здесь используется светодиодная индикация на табло из трех семисегментных индикаторов с общими анодами.

Индикаторые включены по схеме динамической матрицы, то есть, все их сегментные (катодные) выводы включены параллельно. А для опроса, то есть, последовательного переключения, используются общие анодные выводы.

Принципиальная схема вольтметра

Теперь ближе к схеме. На рисунке 1 показана схема вольтметра, измеряющего напряжение от 0 до 100V (0. 99,9V). Измеряемое напряжение поступает на выводы 11-10 (вход) микросхемы D1 через делитель на резисторах R1-R3.

Конденсатор СЗ исключает влияние помех на результат измерения. Резистором R4 устанавливают показания прибора на ноль, при отсутствии входного напряжения А резистором R5 выставляют предел измерения так чтобы результат измерения соответствовал реальному, то есть, можно сказать, им калибруют прибор.

Рис. 1. Принципиальная схема цифрового вольтметра до 100В на микросхемах СА3162, КР514ИД2.

Если используется дешифратор ТТЛ, как, например, КР514ИД2, то его входы непосредственно подключаются к данным входам D1. Если же будет применен дешифратор логики КМОП или МОП, то его входы будет необходимо подтянуть к плюсу при помощи резисторов. Это нужно будет сделать, например, если вместо КР514ИД2 будет использован дешифратор К176ИД2 или CD4056.

Выходы дешифратора D2 через токоограничивающие резисторы R7-R13 подключены к сегментным выводам светодиодных индикаторов Н1-НЗ. Одноименные сегментные выводы всех трех индикаторов соединены вместе. Для опроса индикаторов используются транзисторные ключи VT1-VT3, на базы которых подаются команды с выходов Н1-НЗ микросхемы D1.

Эти выводы тоже сделаны по схеме с открытым коллектором. Активный ноль, поэтому используются транзисторы структуры р-п-р.

Принципиальная схема амперметра

Схема амперметра показана на рисунке 2. Схема практически такая же, за исключением входа. Здесь вместо делителя стоит шунт на пятиваттном резисторе R2 сопротивлением 0,1 От. При таком шунте прибор измеряет ток до 10А (0. 9.99А). Установка на ноль и калибровка, как и в первой схеме, осуществляется резисторами R4 и R5.

Рис. 2. Принципиальная схема цифрового амперметра до 10А и более на микросхемах СА3162, КР514ИД2.

Выбрав другие делители и шунты можно задать другие пределы измерения, например, 0. 9.99V, 0. 999mA, 0. 999V, 0. 99.9А, это зависит от выходных параметров того лабораторного блока питания, в который будут установлены эти индикаторы. Так же, на основе данных схем можно сделать и самостоятельный измерительный прибор для измерения напряжения и тока (настольный мультиметр).

При этом нужно учесть, что даже используя жидкокристаллические индикаторы прибор будет потреблять существенный ток, так как логическая часть СА3162Е построена по ТТЛ-логике. Поэтому, хороший прибор с автономным питанием вряд ли получится. А вот автомобильный вольтметр (рис.4) выйдет неплохой.

Питаются приборы постоянным стабилизированным напряжением 5V. В источнике питания, в который будут они установлены, необходимо предусмотреть наличие такого напряжения при токе не ниже 150mA.

Подключение прибора

На рисунке 3 показана схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Рис. 3. Схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Рис.4. Самодельный автомобильный вольтметр на микросхемах.

Детали

Пожалуй, самое труднодоставаемое – это микросхемы СА3162Е. Из аналогов мне известна только NTE2054. Возможно есть и другие аналоги, о которых мне не известно.

С остальным значительно проще. Как уже сказано, выходную схему можно сделать на любом дешифраторе и соответствующих индикаторах. Например, если индикаторы будут с общим катодом, то нужно КР514ИД2 заменить на КР514ИД1 (цоколевка такая же), а транзисторы VТ1-VТЗ перетащить вниз, подсоединив их коллектора к минусу питания, а эмиттеры к общим катодам индикаторов. Можно использовать дешифраторы КМОП-логики, подтянув их входы к плюсу питания при помощи резисторов.

Налаживание

Регулируя напряжение на выходе источника, резистором R5 настраиваем калибровку прибора так, чтобы его показания совпадали с показаниями мультиметра. Далее, налаживаем амперметр. Сначала, не подключая нагрузку, регулировкой резистора R5 устанавливаем его показания на ноль. Теперь потребуется постоянный резистор сопротивлением 20 От и мощностью не ниже 5W.

Устанавливаем на блоке питания напряжение 10V и подключаем этот резистор в качестве нагрузки. Подстраиваем R5 так чтобы амперметр показал 0,50 А.

Можно выполнить калибровку и по образцовому амперметру, но мне показалось удобнее с резистором, хотя конечно на качество калибровки очень влияет погрешность сопротивления резистора.

По этой же схеме можно сделать и автомобильный вольтметр. Схема такого прибора показана на рисунке 4. Схема от показанной на рисунке 1 отличается только входом и схемой питания. Этот прибор теперь питается от измеряемого напряжения, то есть, измеряет напряжение, поступающее на него как питающее.

Напряжение от бортовой сети автомобиля через делитель R1-R2-R3 поступает на вход микросхемы D1. Параметры этого делителя такие же как в схеме на рисунке 1, то есть для измерения в пределах 0. 99.9V.

Но в автомобиле напряжение редко бывает более 18V (больше 14,5V уже неисправность). И редко опускается ниже 6V, разве только падает до нуля при полном отключении. Поэтому прибор реально работает в интервале 7. 16V. Питание 5V формируется из того же источника, с помощью стабилизатора А1.

Читайте также: