Voltmeter AC Elektronik

Halo pembaca yang budiman. Kadang-kadang menjadi perlu untuk memiliki voltmeter kecil yang sederhana "di tangan". Membuat voltmeter seperti itu dengan tangan Anda sendiri tidaklah sulit.

Kesesuaian voltmeter untuk mengukur tegangan di sirkuit tertentu dinilai dari resistansi inputnya, yang merupakan jumlah resistansi bingkai perangkat penunjuk dan resistansi resistor tambahan. Karena resistor tambahan memiliki peringkat yang berbeda pada batas yang berbeda, maka impedansi masukan perangkat akan berbeda. Lebih sering, voltmeter dievaluasi oleh resistansi input relatifnya, yang mencirikan rasio resistansi input perangkat dengan 1 V dari tegangan yang diukur, misalnya, 5 kOhm / V. Ini lebih nyaman: resistansi input voltmeter berbeda pada batas pengukuran yang berbeda, dan resistansi input relatif konstan. Semakin kecil arus defleksi total jarum alat ukur Jika digunakan dalam voltmeter, semakin besar resistansi input relatifnya, semakin akurat pengukurannya. Dalam desain transistor, perlu untuk mengukur tegangan dari fraksi volt hingga beberapa puluh volt, dan bahkan lebih dalam desain lampu. Oleh karena itu, voltmeter batas tunggal tidak nyaman. Misalnya, bahkan tegangan 1-5V tidak dapat diukur secara akurat dengan voltmeter dengan skala 100V, karena penyimpangan panah akan menjadi hampir tidak terlihat. Oleh karena itu, kita membutuhkan voltmeter yang memiliki setidaknya tiga hingga empat batas pengukuran. Skema voltmeter seperti itu arus searah ditunjukkan pada Gambar.1. Kehadiran empat resistor tambahan R1, R2, R3 dan R4 menunjukkan bahwa voltmeter memiliki empat batas pengukuran. Dalam hal ini, batas pertama adalah 0-1V, yang kedua adalah 0-10V, yang ketiga adalah 0-100V, dan yang keempat adalah 0-1000V.
Resistansi resistor tambahan dapat dihitung dengan rumus berikut dari hukum Ohm: Rd \u003d Up / Ii - Rp, di sini Up adalah tegangan tertinggi dari batas pengukuran yang diberikan, Ii adalah arus defleksi total jarum kepala pengukur, dan Rp adalah resistansi kerangka kepala pengukur. Jadi, misalnya, untuk perangkat untuk arus Ii \u003d 500 A (0,0005A) dan bingkai dengan resistansi 500 Ohm, resistansi resistor tambahan R1, untuk batas 0-1V harus 1,5 kOhm, untuk batas 0-10V - 19,5 kOhm, untuk batas 0 -100V - 199,5 kOhm, untuk batas 0-1000 - 1999,5 kOhm. Resistansi input relatif dari voltmeter semacam itu akan menjadi 2 kOhm / V. Biasanya, resistor tambahan dengan peringkat yang mendekati yang dihitung dipasang di voltmeter. Akhirnya, "penyesuaian" resistansi mereka dilakukan ketika mengkalibrasi voltmeter dengan menghubungkan resistor lain secara paralel atau seri.

Jika kita melengkapi voltmeter DC dengan penyearah yang mengubah tegangan AC menjadi DC (lebih tepatnya, berdenyut), kita mendapatkan voltmeter arus bolak-balik. Kemungkinan rangkaian perangkat semacam itu dengan penyearah setengah gelombang ditunjukkan pada Gambar. 2. Perangkat bekerja sebagai berikut. Pada saat-saat ketika ada setengah gelombang positif dari tegangan bolak-balik di terminal kiri (sesuai dengan rangkaian) perangkat, arus mengalir melalui dioda D1 dan kemudian melalui mikroammeter ke terminal kanan. Pada saat ini, dioda D2 ditutup. Selama setengah gelombang positif pada klem kanan, dioda D1 menutup, dan setengah gelombang positif dari tegangan bolak-balik ditutup melalui dioda D2, melewati mikroammeter.
Resistor tambahan Rd dihitung dengan cara yang sama seperti untuk tegangan konstan, tetapi hasilnya dibagi dengan 2,5-3 jika penyearah perangkat setengah gelombang, atau 1,25-1,5 jika penyearah perangkat gelombang penuh - Gbr. 3 . Lebih tepatnya, resistansi resistor ini dipilih secara empiris selama kalibrasi skala instrumen. Anda dapat menghitung Rd menggunakan rumus lain. Resistansi resistor tambahan voltmeter dari sistem penyearah, dibuat sesuai dengan rangkaian pada Gambar. 2, dihitung dengan rumus:
Rd = 0,45? Atas / Ii - (Rp + rd);
Untuk rangkaian pada Gambar 3, rumusnya terlihat seperti:
Rd = 0,9? Atas / Ii - (Rp + 2); di mana rd adalah resistansi maju dioda.
Pembacaan instrumen sistem penyearah sebanding dengan nilai rata-rata yang disearahkan dari tegangan terukur. Timbangannya dikalibrasi dalam nilai rms tegangan sinusoidal, oleh karena itu, pembacaan perangkat sistem penyearah sama dengan nilai rms tegangan hanya saat mengukur tegangan sinusoidal. Dioda germanium D9D digunakan sebagai dioda penyearah. Voltmeter tersebut juga dapat mengukur tegangan frekuensi audio hingga beberapa puluh kilohertz. Skala untuk voltmeter buatan sendiri dapat digambar menggunakan program FrontDesigner_3.0_setup.

Voltmeter AC sederhana dengan frekuensi 50 Hz dirancang sebagai modul built-in yang dapat digunakan secara terpisah dan dibuat menjadi perangkat jadi.
Voltmeter dipasang pada mikrokontroler PIC16F676 dan indikator 3 digit dan tidak mengandung banyak detail.

Karakteristik utama voltmeter:
Bentuk tegangan yang diukur adalah sinusoidal
Nilai maksimum tegangan terukur adalah 250 V;
Frekuensi tegangan terukur - 40 ... 60 Hz;
Tampilan diskrit dari hasil pengukuran - 1 V;
Tegangan suplai voltmeter - 7 ... 15 V.
Konsumsi arus rata-rata - 20 mA
Dua pilihan desain: dengan dan tanpa PSU on board
PCB satu sisi
Desain kompak
Tampilan nilai terukur pada tampilan LED 3 digit

Diagram skema voltmeter untuk mengukur tegangan AC

Resistor R6 dan R7 menghasilkan tegangan 2,5 volt (setengah daya) pada input ADC. Kapasitor C5 yang relatif kecil melangsir input ADC dan membantu mengurangi kesalahan pengukuran. Mikrokontroler mengatur pengoperasian indikator dalam mode dinamis dengan interupsi dari timer.

Konstruksi dan detail

Opsi dengan tambahan catu daya + 7…15 V. Batas pengukuran 0 - 250 Volt.

Voltmeter dipasang pada papan yang terbuat dari fiberglass foil satu sisi. Indikator digunakan dengan katoda umum.
Resistor R6 dan R7 dapat memiliki nilai 47 - 100 kohm. Mereka harus dipilih dengan denominasi yang sama atau diambil dengan toleransi 1%. Linearitas pembacaan di bagian atas skala tergantung pada kesetaraan denominasi mereka.
Nilai resistor R8 - R12 dipilih tergantung pada kecerahan cahaya yang diperlukan dan output cahaya indikator. Dalam hal ini, mungkin perlu untuk meningkatkan kapasitansi kapasitor C1 untuk mendapatkan nilai arus yang lebih besar untuk menyalakan indikator.
Saat menggunakan indikator dengan output cahaya rendah, disarankan untuk menggunakan 7805 yang lebih kuat daripada chip U1 (78L05) untuk menghindari panas berlebih.

Pengaturan

Program

Operasi program: selama periode waktu tertentu, beberapa pengukuran tegangan langsung dilakukan tanpa mengacu pada fase, dan pada saat yang sama, nilai tegangan minimum dan maksimum ditentukan. Perbedaan antara nilainya akan sama dengan kisaran tegangan yang diukur, yang ditampilkan pada indikator.

Kemungkinan aplikasi voltmeter

Diagram struktural umum dari voltmeter DC ditunjukkan pada gambar. 1a. Ini termasuk perangkat input, penguat DC A1 dan alat ukur elektromekanis. PV1. Perangkat input dirancang untuk menciptakan resistansi input yang tinggi untuk mengurangi efek voltmeter pada rangkaian yang diukur. Ini terdiri dari pembagi tegangan - attenuator, dengan bantuannya mengubah batas nilai yang diukur. Dalam beberapa voltmeter, perangkat input berisi pengikut emitor (atau pengikut sumber saat menggunakan transistor efek medan).

Persyaratan tinggi dikenakan pada UPT: penyimpangan nol rendah, stabilitas gain tinggi, tingkat kebisingan rendah.

Dalam voltmeter DC dengan sensitivitas tinggi sinyal masukan diubah menjadi AC, diperkuat, dan kemudian diubah kembali menjadi tegangan DC.

Diagram blok umum voltmeter AC ditunjukkan pada gambar. 1b. Prinsip pengoperasian voltmeter semacam itu adalah mengubah tegangan AC menjadi DC, yang diukur dengan perangkat elektromekanis penunjuk. Detektor puncak (amplitudo), detektor rms dan nilai tegangan rata-rata yang diperbaiki digunakan sebagai konverter AC-ke-DC. Penggunaan konverter AC-ke-DC tertentu menentukan kemampuan voltmeter untuk mengukur nilai tegangan tertentu.

Diagram umum menunjukkan penguat tegangan AC A1 dan UPT A2, terhubung setelah konverter V1. Namun, dalam perangkat praktis, penggunaan kedua amplifier ini sangat jarang. Baik amplifikasi pra-deteksi atau amplifikasi pasca-deteksi digunakan. Dalam pengukur tegangan yang sangat sensitif, penguat tegangan AC diperkenalkan, biasanya broadband, dengan bandwidth dari beberapa hertz hingga puluhan megahertz.

Untuk menyediakan berbagai frekuensi operasi hingga 1 GHz, penguat tegangan AC tidak digunakan, tetapi penguat DC digunakan.

VOLTMETER DIGITAL

Voltmeter digital AC menggunakan konversi analog dari tegangan AC yang diukur ke DC. Dalam voltmeter digital pulsa, ADC khusus digunakan - konverter amplitudo-waktu. Voltmeter konversi penyeimbang menggunakan ADC yang sesuai.

voltmeter digital konversi langsung lebih sederhana dalam desain, tetapi memiliki akurasi yang lebih rendah. Menurut metode konversi analog-ke-digital yang digunakan, yaitu: dengan waktu, waktu dengan integrasi dan konversi frekuensi. Mengintegrasikan voltmeter digital, yang mengukur nilai tegangan rata-rata selama pengukuran, telah meningkatkan kekebalan kebisingan. Perangkat input (Gbr. 2) berisi pembagi tegangan dan dirancang untuk memperluas batas pengukuran. Ini memberikan impedansi input voltmeter yang cukup tinggi. Perangkat untuk menentukan polaritas tegangan yang diukur didasarkan pada penentuan urutan operasi dua perangkat pembanding. Tegangan gigi gergaji diterapkan ke yang pertama, mengambil nilai dari - kamu sebelum +U, dan tegangan terukur. Perangkat memicu (mengeluarkan pulsa) pada saat kesetaraan tegangan. Perangkat perbandingan lain dipicu ketika tegangan gigi gergaji sama dengan nol. Sinyal polaritas dimasukkan ke dalam perangkat pembacaan digital. Perangkat seleksi otomatis batas pengukuran membandingkan tegangan yang diukur dengan satu set tegangan dan mengontrol pembagi.

Voltmeter digital dengan konversi penyeimbang dibangun terutama menurut dua jenis diagram blok: menggunakan perangkat pemrograman dan penghitung digital. Di dalamnya, tegangan terukur diseimbangkan dengan tegangan teladan kompensasi yang berubah secara diskrit. pada gambar. 3a,b tunjukkan diagram blok ini.

Pertimbangkan pengoperasian voltmeter yang dibangun sesuai dengan skema dengan penghitung digital (Gbr. 3, b). Pulsa clock diumpankan ke penghitung digital melalui perangkat kontrol yang menentukan urutan pengisian sel. Penghitung mengubah status elemen konverter kode dan tegangan kompensasi. Tegangan terukur yang dipasok ke komparator dibandingkan dengan tegangan kompensasi. Bergantung pada tanda perbedaan ini pada output perangkat pembanding, perangkat kontrol terus meneruskan pulsa clock ke penghitung, atau tidak. Siklus pengukuran baru dimulai dari saat penghitung diatur ulang ke nol. Pada saat yang sama, tegangan kompensasi dibawa ke keadaan awal dan pulsa penghitungan mulai mengalir ke penghitung.

Jika untuk pengukuran tegangan konstan Jika Anda menggunakan voltmeter dengan kepala pengukur sistem magnetoelektrik, maka Anda memperhatikan bahwa jika polaritas probe voltmeter terhubung ke sumber tegangan yang diukur, panah kepala pengukur menyimpang ke arah yang berlawanan di luar nol dan keluar dari skala. Jika Anda mencoba mengukur tegangan bolak-balik dengan frekuensi sekitar 50 Hz dan lebih tinggi dengan perangkat semacam itu, panah mungkin sedikit berkedut pada saat awal, tetapi setelah itu akan menunjuk ke nol. Nilai bukan nol akan menunjukkan adanya komponen tegangan konstan.

Cara termudah untuk keluar dari situasi tersebut adalah dengan mengubah tegangan AC menjadi DC, yaitu dengan meluruskannya. Ini mudah dilakukan dengan satu dioda, seperti yang ditunjukkan dalam artikel. Jika Anda ingin mengukur tegangan lebih atau kurang akurat, Anda dapat menggunakan untuk penyearah.

Skema pengukuran

Alasan perilaku meter magnetoelektrik ini saat mengukur tegangan AC adalah sederhana. Pada perangkat semacam itu ada magnet permanen, dan arah deviasi panah perangkat tergantung pada arah aliran arus dalam koil bingkai yang berputar. Pada saat setengah siklus positif, panah perangkat mencoba menyimpang ke satu arah, sedangkan yang negatif mencoba menyimpang ke arah lain. Dengan perubahan polaritas yang cukup sering, misalnya, seperti pada jaringan konsumen 50 Hz, panah tidak punya waktu untuk menyimpang ke satu arah, ketika tiba-tiba harus menyimpang ke arah yang berlawanan. Dalam hal ini, Anda hanya dapat melihat getaran panah, atau tidak memperhatikan apa pun.

Kepala pengukur sistem elektromagnetik di perangkatnya tidak memiliki magnet permanen, dan prinsip operasinya didasarkan pada fenomena menggambar objek dari bahan yang dapat dimagnetkan ke wilayah pusat koil dengan arus. Arah aksi kumparan dengan arus pada benda yang dimagnetisasi tidak bergantung pada arah arus dalam belitan kumparan. Oleh karena itu, perangkat tersebut dengan mudah mengukur arus atau tegangan searah dan bolak-balik.

Jika Anda perlu mengukur tegangan di jaringan AC, dan hanya perangkat dengan kepala pengukur sistem magnetoelektrik (dengan magnet permanen) yang ada, maka Anda dapat keluar dari situasi tersebut dengan memiliki setidaknya satu dioda penyearah dengan tegangan balik tidak lebih rendah dari nilai amplitudo nilai yang diharapkan untuk diukur. Untuk melakukan ini, pertimbangkan dua skema.

Sirkuit dengan satu dioda

Pilihan yang kurang akurat, tetapi sangat sederhana. Yang diperlukan hanyalah menghubungkan salah satu probe perangkat melalui dioda penyearah. Dalam hal ini, perlu dicatat bahwa dioda harus dihubungkan ke terminal sebelumnya dengan polaritas positif oleh katoda (ke negatif - oleh anoda). Di bawah aksi setengah siklus positif, panah akan membelokkan nilai tegangan terukur ke arah yang kita butuhkan. Selama setengah siklus negatif, dioda akan mati, memutus rangkaian perangkat dengan sumber tegangan yang tidak lagi bekerja pada panah perangkat ke arah yang berlawanan.

Fitur pengukuran dioda tunggal

Menentukan nilai suatu besaran. Saat mengukur sesuai dengan skema yang dipertimbangkan, harus diperhitungkan bahwa perangkat hanya bereaksi selama satu setengah siklus, dan akan menunjukkan nilai dua kali lebih kecil dari nilai tegangan operasi aktual. Artinya, jika, ketika mengukur tegangan dengan sirkuit seperti itu, perangkat menunjukkan nilai 110 V, pembacaan ini harus dikalikan dua, dan Anda akan mendapatkan apa yang Anda ukur.

Pemilihan dioda. Untuk pilihan tepat dioda, kita perlu memperhitungkan tegangan balik dioda, yang harus lebih besar dari nilai amplitudo dari nilai yang diukur, jika tidak, dioda dapat menerobos, dan perangkat akan berhenti menunjukkan, atau mungkin berbohong dengan beberapa urutan besarnya. Misalnya, kita akan mengukur tegangan di stopkontak. Saat menentukan kelas tegangan peralatan, nilai efektif ditunjukkan. Untuk mengetahui nilai amplitudo, Anda perlu mengalikan nilai efektif dengan akar dari dua:. Tegangan jaringan konsumen adalah 220 V. Amplitudo tegangan akan menjadi 220 × 1,41 \u003d 311 V. Dalam kasus kami, dioda penyearah dengan tegangan balik 400 V dan lebih tinggi cukup cocok. Di bawah ini tidak diinginkan, karena. jika terjadi tegangan lebih dalam jaringan, amplitudo tegangan dapat melebihi tegangan balik dioda, kerusakan ireversibel akan terjadi persimpangan p-n dan dioda akan gagal.

Juga, jangan memilih dioda daya tinggi, semakin rendah daya, semakin baik. Dioda daya memiliki besar daerah p-n transisi, yang dalam keadaan terkunci dapat berperilaku seperti pelat kapasitor. Jadi, dalam setengah siklus negatif, konduksi kapasitif dapat mempengaruhi, dan pembacaan perangkat akan agak diremehkan. Semakin tinggi frekuensi tegangan terukur, semakin besar pengaruhnya, terutama saat menggunakan kepala pengukur sensitif resistansi tinggi.

Diagram dengan jembatan dioda

Pilihan yang lebih kompleks, tetapi memungkinkan Anda mengukur besaran listrik dengan lebih akurat. Ini akan membutuhkan 4 dioda, atau jembatan dioda yang sudah jadi. Prinsip operasi rangkaian mirip dengan opsi pertama, tetapi di sini elemen pengukur merasakan kedua setengah siklus tegangan, yang bekerja padanya dalam arah yang sama, dan perangkat menunjukkan nilai tegangan efektif. Artinya, pembacaan perangkat akan sesuai dengan kenyataan.

Pilihan dioda atau jembatan dioda mirip dengan kasus pertama.

Tindakan pencegahan

Saat memodifikasi instrumen Anda dengan cara ini, ambil Perhatian khusus keamanan. Dioda atau jembatan dioda yang digunakan dalam sirkuit, serta titik kontak untuk memotong kabel, probe instrumen, terminal voltmeter harus diisolasi dengan aman untuk mencegah kerusakan sengatan listrik jika terjadi kontak yang tidak disengaja dengan bagian perangkat yang membawa arus selama pengukuran.