Что можно сделать на основе небольшого микроконтроллера Attiny13? Много чего. Например измеритель напряжения, тока, температуры, с выводом результатов на дисплей типа HD44780. Так давайте и соберём это универсальное устройство, которое можно успешно использовать в качестве модуля в блоках питания, зарядках, УМЗЧ и в тех местах, где не требуется очень высокая точность. Размер платы всего 35 х 16 мм.

Схема измерителя U, I, T на Attiny13

  • Диапазон измерения напряжения 0-99V с разрешением 0.1 V.
  • Диапазон измерения тока 0-9.99А с разрешением 10 мА.
  • Диапазон измерения температуры 0-99C с разрешением 0.1C.
  • Потребление тока самого измерителя 35 мА.

Прежде всего надо знать, в каком диапазоне напряжения прибор будет работать. Чтобы это установить, необходимо рассчитать делитель напряжения. Например, для получения измерения 10 В, делитель должен составлять 1/10 (мы умножаем x 10 потому что напряжение будет в 10 раз больше от базового 1 В), для 30 В будет 1/30 и так далее. Затем необходимо настроить программу, для данного диапазона. Эти 30 В умножаем по 640, а результат разделим на 1023. Полученное число приблизительно записывается в начале программы, постоянной напряжения и надо скомпилировать программу (для диапазона 100 В, 8,2к).

Измерение тока также мы можем настроить подобным образом, дать другой делитель, другой диапазон, и перечислить, но не буду этого описывать. Здесь нет аналоговой калибровки температуры, потому что она показалась совершенно лишней.

Корректируем экспериментально в программе, за это отвечает константа const temp. Резистор 1К между массой и выходом датчика устанавливает напряжение, снизить его можно даже до 100 Ом.

Как работает схема

К точкам V и V+ на плате приложено напряжение, которое мы хотим измерить, к точке GND присоединяемся входом массы блока питания, а к точке В - выход массы (измерение происходит на массе). Между точками GND и V - присоединяется шунт. Питание измерителя осуществляется от точки V и V+ через стабилизатор 7805. На плате есть место на стабилизатор в корпусе TO252, но с успехом можно использовать и более крупный стабилизатор 78L05 в корпусе TO92. Максимальное напряжение, которое можно указать для точки V и V+, для обычной 7805 будет до 35В, для 78L05 будет, конечно, меньше, но не больше 30. Для того, чтобы измерять большие напряжения, чип необходимо пополнить отдельно - на стороне печати, следует прервать путь под потенциометром регулировки напряжения, а питание подать до точки А. Система работает с дисплеем 16х1 с контроллером HD44780 или 16х2.

Видео работы измерителя

При прошивке микроконтроллера необходимо задать pin reset как обычный pin (включить fusebit RSTDISBL). Перед выполнением этой операции убедитесь, что все хорошо установили, что после выключения сбрасывается, и нет доступа к процессору обычным программатором! Исходники, а также вся остальная документация и файлы, размещены

Измерение, контроль и регулирование тока - распространенные задачи в различных приложениях электроники. Предлагаемая вниманию читателей статья представляет собой обзор схемотехнических решений и компонентов, применяемых для этих целей.

Один из способов измерения тока в электрической цепи - это измерение падения напряжения на токоизмерительном резисторе (шунте) известного сопротивления, включенном последовательно с нагрузкой. Чтобы сопротивление шунта оказывало минимальное воздействие на режим работы нагрузки, оно выбирается минимально возможной величины, что предполагает последующее усиление сигнала.

В таблице 1 перечислены производители электронных компонентов, выпускающие как специализированные изделия, предназначенные для контроля тока, так и микросхемы усилителей, подходящих для этой цели.

Таблица 1. Фирмы-производители микросхем-мониторов тока

Изготовитель
Analog Devices Inc.
Integration Associates Inc.
International Rectifier
Ixys Corp.
Linear Technology Corp.
Maxim Integrated Products
National Semiconductor
Semtech Corp.
Texas Instruments Inc.
Zetex Semiconductor

Специализированные микросхемы для контроля (измерения) тока производителями названы Low-Side Current Sense Monitor (Amplifier) и High-Side Current Sense Monitor (Amplifier). Буквальный перевод этих терминов на русский язык дает такие же загадочные названия, как «южный мост» в материнской плате компьютера.

Фирма Maxim определяет High-side current sensing как измерение тока по падению напряжения на резисторе, включенном между источником питания и нагрузкой, а Low-side current sensing - как измерение тока по падению напряжения на резисторе, включенном между нагрузкой и общим проводом («землей»).

Воспользуемся для дальнейшего описания понятиями измерения тока в положительном и отрицательном полюсах нагрузки предполагая, что шина питания имеет положительный потенциал относительно общей шины, что справедливо для подавляющего большинства современных электронных схем. Следует отметить, что приведенные ниже схемы позволяют контролировать не только постоянный, но и импульсный ток, правда, с соответствующими искажениями, определяемыми полосой пропускания усилительных элементов.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки

Преимущества:

  • низкое входное синфазное напряжение;
  • входной и выходной сигнал имеют общую «землю»;
  • простота реализации с одним источником питания.

Недостатки:

  • нагрузка не имеет непосредственной связи с «землей»;
  • отсутствует возможность коммутации нагрузки ключом в отрицательном полюсе;
  • возможность выхода из строя измерительной схемы при коротком замыкании в нагрузке.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки не представляет сложности. Для этой цели подходит множество операционных усилителей, предназначенных для работы с однополярным питанием с входным синфазным напряжением, включающим потенциал общей шины, а также многие из инструментальных усилителей. По этой причине специализированные микросхемы Low-Side Sense Monitor (Amplifier) практически отсутствуют. Схемы измерения тока с применением операционного и инструментального усилителей приведены на рис. 1 и 2 соответственно. Выбор конкретного типа усилителя определяется требуемой точностью, на которую в основном влияет смещение нуля усилителя, его температурный дрейф и погрешность установки усиления, и необходимым быстродействием схемы. В начале шкалы неизбежна значительная погрешность преобразования, вызванная ненулевым значением минимального выходного напряжения усилителя, что для большинства практических применений несущественно. Для исключения этого недостатка требуется либо двухполярное питание усилителя, либо смещение уровня выходного сигнала подключением вывода REF инструментального усилителя к источнику опорного напряжения.

Рис. 1. Схема измерения тока в отрицательном полюсе с операционным усилителем

Рис. 2. Схема измерения тока в отрицательном полюсе с измерительным усилителем

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки

  • обнаруживается короткое замыкание в нагрузке.

    • Недостатки:

    • высокое синфазное входное напряжение (зачастую очень высокое);
    • необходимость смещения выходного сигнала до уровня, приемлемого для последующей обработки в системе (привязка к «земле»).

    Рассмотрим схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки с использованием операционных усилителей.

    В схеме на рис. 3 можно применить любой из подходящих по допустимому напряжению питания и точностным характеристикам операционный усилитель, предназначенный для работы с однополярным питанием и максимальным входным синфазным напряжением, достигающим напряжения питания, например AD8603. Максимальное напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя.

    Рис. 3. Схема измерения тока в положительном полюсе с операционным усилителем

    Так называемые Over-The-Top Rail-To-Rail Input и Output Amplifier (LT1494, LT1636, LT1637, LT1672, LT1782, LT1783, LT1784 от Linear Technology) работоспособны при входном синфазном напряжении, значительно превышающем напряжение питания. В схеме с применением ОУ LT1637, изображенной на рис. 4, напряжение питания нагрузки может достигать 44 В при напряжении питания ОУ, равном 3 В.

    Рис. 4. Схема измерения тока в положительном полюсе с Over-The-Top операционным усилителем

    Для измерения тока в положительном полюсе нагрузки с весьма малой погрешностью подходят такие инструментальные усилители, как LTC2053, LTC6800 от Linear Technology, INA337 от Texas Instruments. На рис. 5 показана схема с применением LTC6800. Напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя (5,5 В).

    Рис. 5. Схема измерения тока в положительном полюсе с инструментальным усилителем LTC6800

    Дифференциальные усилители, подходящие для построения схем мониторов тока в положительном полюсе, перечислены в таблице 2. Некоторые из них имеют очень широкий диапазон входного синфазного напряжения, распространяющийся и в область отрицательных значений, что позволяет организовать при необходимости измерение тока и в нагрузке, подключенной к источнику питания отрицательной полярности. Рекордные показатели у LT1990, имеющего диапазон входного синфазного напряжения от –37 до 250 В при однополярном питании и ±250 В при двухполярном. Схема с его использованием изображена на рис. 6. Микросхемам AD629 и INA117 требуется двухполярное питание, при этом диапазон входного синфазного напряжения составляет ±270 В и ±200 В.

    Рис. 6. Схема измерения тока в положительном полюсе с дифференциальным усилителем LT1990

    Таблица 2. Дифференциальные усилители

    Интеграция практически всех необходимых компонентов в один кристалл привела к созданию специализированных микросхем мониторов тока. Как правило, эти микросхемы не обеспечивают точности, достижимой с использованием прецизионных усилителей. Однако для подавляющего большинства применений, особенно если требуется только контроль тока, а не измерение его точного значения, заявляемой производителями точности вполне достаточно.

    По выходному сигналу микросхемы можно разделить на три группы: с токовым выходом, потенциальным выходом и ШИМ-выходом.

    Характеристики микросхем c токовым выходом приведены в таблице 3. На рис. 7 показана схема с применением INA139, в которой кроме токового шунта требуется единственный внешний компонент - резистор R OUT . В схеме на рис. 8 с применением LTC6101HV, кроме того, необходим резистор R IN , включаемый в цепь встроенного источника тока.

    Рис. 7. Монитор тока в положительном полюсе с токовым выходом INA139

    Рис. 8. Монитор тока в положительном полюсе с токовым выходом LTC6101HV

    Таблица 3. Микросхемы мониторов тока с токовым выходом

    Поскольку выходное сопротивление схем достигает нескольких десятков килоом, схемы последующей обработки сигнала должны иметь высокое входное сопротивление.

    Особенность трехвыводных микросхем ZXCT1008 и ZXCT1009 от Zetex - протекание собственного тока потребления микросхемы через резистор R OUT , что, естественно, вносит дополнительную погрешность. Однако ввиду чрезвычайно малого собственного потребления эта погрешность незначительна, особенно в конце шкалы, и вполне приемлема. На рис. 9 показано применение ZXCT1009 в схеме зарядного устройства для Li-Ion аккумулятора.

    Рис. 9. Схема управления зарядным устройством

    В таблице 4 приведены характеристики микросхем-мониторов тока с потенциальным выходом. От мониторов тока с токовым выходом они отличаются тем, что содержат внутренний резистор R OUT , а часть из них имеет выходной усилитель, позволяющий уменьшить выходное сопротивление до единиц и даже долей ома. В качестве примера внутренней организации на рис. 10 показан монитор тока MAX4372.

    Рис. 10. Монитор тока в положительном полюсе с потенциальным выходом MAX4372

    Таблица 4. Микросхемы мониторов тока с потенциальным выходом

    При необходимости контролировать ток, который изменяет направление в зависимости от режима работы схемы, например, ток, протекающий через реверсируемый электродвигатель, или ток заряда–разряда аккумуляторной батареи, используются два монитора тока. Схема для последнего случая приведена на рис. 11. Здесь каждый монитор контролирует ток своего направления. Альтернативное решение - использование сдвоенного монитора тока MAX4377 или двунаправленного (Bidirectional) монитора тока, схема применения которого изображена на рис. 12. Опорное напряжение устанавливает уровень, относительно которого изменяется выходное напряжение. Выходной сигнал схемы увеличивается с ростом тока положительного направления и, соответственно, уменьшается с ростом тока отрицательного направления. Аналогичный результат можно получить с использованием дифференциальных и инструментальных усилителей, подключив вывод REF к источнику опорного напряжения, как показано на рис. 6.

    Рис. 11. Схема контроля тока заряда–разряда аккумулятора

    Рис. 12. Схема двунаправленного монитора тока

    Мониторы тока можно использовать и при напряжении источника питания, превышающем максимальное входное синфазное напряжение, как описано в документации . В последнем документе показано использование микросхемы MAX4172 с источником питания напряжением 100–250 В.

    Микросхемы - мониторы тока с минимальным значением входного синфазного напряжения, равным нулю, можно использовать для контроля тока в отрицательном полюсе нагрузки, а INA193–INA198 - и для контроля тока в нагрузке, включенной в цепь источника отрицательного напряжения до –16 В.

    Некоторые из мониторов тока обеспечивают дополнительные функции. Переключаемое усиление позволяет менять коэффициент передачи монитора «на лету», увеличивая точность измерения в начале шкалы. Наличие вывода отключения дает возможность экономить энергию, когда нет необходимости измерять ток. Встроенный источник опорного напряжения служит для задания либо выходного уровня двунаправленного монитора, либо порога срабатывания встроенных или внешних компараторов.

    Микросхема MAX4210 позволяет одновременно контролировать как ток, так и потребляемую нагрузкой мощность, а MAX4211 содержит еще и два компаратора для организации пороговых устройств.

    Монитор тока IA2410 может работать и как датчик температуры с переключением из режима монитора тока в режим контроля температуры подачей комбинации импульсов на вход SHDN.

    Мониторы тока с ШИМ-выходом

    Широтно-импульсная модуляция выходного сигнала имеет преимущества при сопряжении монитора тока с микропроцессором. Характеристики микросхем с ШИМ приведены в таблице 5, а пример применения монитора тока IR2175 для контроля тока фазы электродвигателя - на рис. 13.

    Рис. 13. Схема контроля тока с IR2175

    Таблица 5. Мониторы тока с ШИМ-выходом

    Следует упомянуть и правила выбора токоизмерительных шунтов. Естественно, что чем меньше сопротивление шунта, тем большее влияние оказывает сопротивление подводящих проводов. Для точных измерений используются четырехвыводные резисторы.

    Если особых требований к точности не предъявляется, шунт может быть выполнен в виде дорожки на печатной плате. При этом отклонение сопротивления от расчетного значения в серии изделий может достигать ±5%, кроме того, температурный коэффициент сопротивления меди достаточно велик. Последнее обстоятельство в некоторых случаях не является критичным. Например, микросхемы ZXCT1008–ZXCT1010 имеют отрицательный температурный дрейф коэффициента передачи в положительном диапазоне температур, что в некоторой степени компенсирует положительный температурный коэффициент сопротивления меди.

    Измерение переменного тока

    Linear Technology производит микросхемы прецизионных преобразователей среднеквадратичного значения переменного напряжения в постоянное - LTC1966 и LTC1967, характеристики которых приведены в таблице 6. Коэффициент передачи микросхем определяется формулой

    На рис. 14 изображена схема включения LTC1966 для измерения переменного тока с использованием трансформатора тока.

    Рис. 14. Схема измерения переменного тока с LTC1966

    Таблица 6. Микросхемы для измерения переменного тока

    Большое количество практических схем контроля и регулирования тока применения микросхем-мониторов тока приведено в документах .

    Существуют и другие микросхемы датчиков тока, основанные на использовании эффекта Холла и «гигантского» магниторезистивного эффекта. Они применяются для бесконтактного измерения тока. Тем не менее, рассмотрение их характеристик и применения выходит за рамки данной статьи.

    Литература

    1. AN-39. Current Measurement Applications Handbook. Zetex Semiconductor.
    2. AN-3331. High-Side Current-Sense Amplifier Operates at High Voltage. Maxim Integrated Products.
    3. AN-105. Current Sense Circuit Collection. Linear Technology.
    4. AN-746. High-Side Current-Sense Measurement: Circuits and Principles. Maxim Integrated Products.

    Основной единицей измерения электрического напряжения является вольт. В зависимости от величины напряжение может измеряться в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 1000 В), милливольтах (1 мВ = 0,001 В), микровольтах (1 мкВ = 0,001мВ = 0,000001 В). На практике, чаще всего, приходится сталкиваться с вольтами и милливольтами.

    Существует два основных вида напряжений – постоянное и переменное . Источником постоянного напряжения служат батареи, аккумуляторы. Источником переменного напряжения может служить, например, напряжение в электрической сети квартиры или дома.

    Для измерения напряжения используют вольтметр . Вольтметры бывают стрелочные (аналоговые) и цифровые .

    На сегодняшний день стрелочные вольтметры уступают пальму первенства цифровым, так как вторые более удобны в эксплуатации. Если при измерении стрелочным вольтметром показания напряжения приходится вычислять по шкале, то у цифрового результат измерения сразу высвечивается на индикаторе. Да и по габаритам стрелочный прибор проигрывает цифровому.

    Но это не значит, что стрелочные приборы совсем не применяются. Есть некоторые процессы, которые цифровым прибором увидеть нельзя, поэтому стрелочные больше применяются на промышленных предприятиях, лабораториях, ремонтных мастерских и т.п.

    На электрических принципиальных схемах вольтметр обозначается кружком с заглавной латинской буквой «V » внутри. Рядом с условным обозначением вольтметра указывается его буквенное обозначение «PU » и порядковый номер в схеме. Например. Если вольтметров в схеме будет два, то около первого пишут «PU 1 », а около второго «PU 2 ».

    При измерении постоянного напряжения на схеме указывается полярность подключения вольтметра, если же измеряется переменное напряжение, то полярность подключения не указывается.

    Напряжение измеряют между двумя точками схемы: в электронных схемах между плюсовым и минусовым полюсами, в электрических схемах между фазой и нулем . Вольтметр подключают параллельно источнику напряжения или параллельно участку цепи — резистору, лампе или другой нагрузке, на которой необходимо измерить напряжение:

    Рассмотрим подключение вольтметра: на верхней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и одновременно на источнике питания GB1 . На нижней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и резисторе R1 .

    Перед тем, как измерить напряжение, определяют его вид и приблизительную величину . Дело в том, что у вольтметров измерительная часть рассчитана только для одного вида напряжения, и от этого результаты измерений получаются разными. Вольтметр для измерения постоянного напряжения не видит переменное, а вольтметр для переменного напряжения наоборот, постоянное напряжение измерить сможет, но его показания будут не точными.

    Знать приблизительную величину измеряемого напряжения также необходимо, так как вольтметры работают в строго определенном диапазоне напряжений, и если ошибиться с выбором диапазона или величиной, прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения вольтметра составляет 0…100 Вольт, значит, напряжение можно измерять только в этих пределах, так как при измерении напряжения выше 100 Вольт прибор выйдет из строя.

    Помимо приборов, измеряющих только один параметр (напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота), существуют многофункциональные, в которых заложено измерение всех этих параметров в одном приборе. Такой прибор называется тестер (в основном это стрелочные измерительные приборы) или цифровой мультиметр .

    На тестере останавливаться не будем, это тема другой статьи, а сразу перейдем к цифровому мультиметру. В основной своей массе мультиметры могут измерять два вида напряжения в пределах 0…1000 Вольт. Для удобства измерения оба напряжения разделены на два сектора, а в секторах на поддиапазоны: у постоянного напряжения поддиапазонов пять, у переменного — два.

    У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением: 200m , 2V , 20V , 200V , 600V . Например. На пределе «200V» измеряется напряжение, находящееся в диапазоне 0…200 Вольт.

    Теперь сам процесс измерения .

    1. Измерение постоянного напряжения.

    Вначале определяемся с видом измеряемого напряжения (постоянное или переменное) и переводим переключатель в нужный сектор. Для примера возьмем пальчиковую батарейку, постоянное напряжение которой составляет 1,5 Вольта. Выбираем сектор постоянного напряжения, а в нем предел измерения «2V», диапазон измерения которого составляет 0…2 Вольта.

    Измерительные щупы должны быть вставлены в гнезда, как показано на нижнем рисунке:

    красный щуп принято называть плюсовым , и вставляется он в гнездо, напротив которого изображены значки измеряемых параметров: «VΩmA»;
    черный щуп называют минусовым или общим и вставляется он в гнездо, напротив которого стоит значок «СОМ». Относительно этого щупа производятся все измерения.

    Плюсовым щупом касаемся положительного полюса батарейки, а минусовым — отрицательного. Результат измерения 1,59 Вольта сразу виден на индикаторе мультиметра. Как видите, все очень просто.

    Теперь еще нюанс. Если на батарейке щупы поменять местами, то перед единицей появится знак минуса, сигнализирующий, что перепутана полярность подключения мультиметра. Знак минуса бывает очень удобен в процессе наладке электронных схем, когда на плате нужно определить плюсовую или минусовую шины.

    Ну а теперь рассмотрим вариант, когда величина напряжения неизвестна. В качестве источника напряжения оставим пальчиковую батарейку.

    Допустим, мы не знаем напряжение батарейки, и чтобы не сжечь прибор измерение начинаем с самого максимального предела «600V», что соответствует диапазону измерения 0…600 Вольт. Щупами мультиметра касаемся полюсов батарейки и на индикаторе видим результат измерения, равный «001 ». Эти цифры говорят о том, что напряжения нет или его величина слишком мала, или выбран слишком большой диапазон измерения.

    Опускаемся ниже. Переключатель переводим в положение «200V», что соответствует диапазону 0…200 Вольт, и щупами касаемся полюсов батарейки. На индикаторе появились показания равные «01,5 ». В принципе этих показаний уже достаточно, чтобы сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,5 Вольта.

    Однако нолик, стоящий впереди, предлагает снизиться еще на предел ниже и точнее измерить напряжение. Снижаемся на предел «20V», что соответствует диапазону 0…20 Вольт, и снова производим измерение. На индикаторе высветились показания «1,58 ». Теперь можно с точностью сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,58 Вольта.

    Вот таким образом, не зная величину напряжения, находят ее, постепенно снижаясь от высокого предела измерения к низкому.

    Также бывают ситуации, когда при измерении в левом углу индикатора высвечивается единица «1 ». Единица сигнализирует о том, что измеряемое напряжение или ток выше выбранного предела измерения. Например. Если на пределе «2V» измерить напряжение равное 3 Вольта, то на индикаторе появится единица, так как диапазон измерения этого предела всего 0…2 Вольта.

    Остался еще один предел «200m» с диапазоном измерения 0…200 mV. Этот предел предназначен для измерения совсем маленьких напряжений (милливольт), с которыми иногда приходится сталкиваться при наладке какой-нибудь радиолюбительской конструкции.

    2. Измерение переменного напряжения.

    Процесс измерения переменного напряжения ни чем не отличается от измерения постоянного. Отличие состоит лишь в том, что для переменного напряжения соблюдать полярность щупов не требуется.

    Сектор переменного напряжения разбит на два поддиапазона 200V и 600V .
    На пределе «200V» можно измерять, например, выходное напряжение вторичных обмоток понижающих трансформаторов, либо любое другое находящееся в диапазоне 0…200 Вольт. На пределе «600V» можно измерять напряжения 220 В, 380 В, 440 В или любое другое находящееся в диапазоне 0…600 Вольт.

    В качестве примера измерим напряжение домашней сети 220 Вольт.
    Переводим переключатель в положение «600V» и щупы мультиметра вставляем в розетку. На индикаторе сразу появился результат измерения 229 Вольт. Как видите, все очень просто.

    И еще один момент.
    Перед измерением высоких напряжений ВСЕГДА лишний раз убеждайтесь в исправности изоляции щупов и проводов вольтметра или мультиметра , а также дополнительно проверяйте выбранный предел измерения . И только после всех этих операций производите измерения . Этим Вы убережете себя и прибор от неожиданных сюрпризов.

    А если что осталось не понятно, то посмотрите видеоролик, где показано измерение напряжения и силы тока с помощью мультиметра.

    При проверке силовых электрических цепей часто возникает необходимость в измерении силы тока. Чтобы измерить величину постоянного тока, как правило, применяют резисторный шунт, включенный последовательно с нагрузкой, напряжение на котором пропорционально току. Однако, если возникнет необходимость в измерении больших токов, то потребуется шунт внушительной мощности, поэтому целесообразнее использовать другие методы измерения.

    В связи с этим у меня возникла идея собрать измеритель тока на основе датчика Холла. Его схема представлена на рисунке.

    Особенности амперметра:

    • Измерение силы переменного или постоянного тока без электрического контакта с цепью
    • Измерение истинного среднеквадратичного (TrueRMS) значения тока независимо от формы сигнала, а также максимального значения за период (приблизительно 0.5 секунды)
    • Вывод информации на символьный LCD дисплей
    • Два режима измерения (до 10А и до 50А)

    Схема работает следующим образом. Провод с током располагается внутри ферритового кольца, создавая при этом магнитное поле, величина которого прямо пропорциональна силе тока. Датчик Холла, расположенный в воздушном зазоре сердечника, преобразует величину индукции поля в напряжение, и это напряжение подается на операционные усилители. ОУ необходимы, чтобы привести уровни напряжения с датчика к диапазону входных напряжений АЦП. Полученные данные обрабатываются микроконтроллером и выводятся на LCD дисплей.

    Предварительный расчет схемы

    В качестве сердечника использовано кольцо R20*10*7 из материала N87. Датчик Холла - SS494B.

    С помощью надфиля в кольце протачивается зазор такой толщины, чтобы там поместился датчик, то есть около 2 мм. На данном этапе уже можно примерно оценить чувствительность датчика к току и максимально возможный измеряемый ток.

    Эквивалентная проницаемость сердечника с зазором приблизительно равна отношению длины магнитной линии к величине зазора:

    Тогда, подставив это значение в формулу расчета индукции в сердечнике и умножив это все на чувствительность датчика, найдем зависимость выходного напряжения датчика от силы тока:

    Здесь K B - чувствительность датчика к индукции магнитного поля, выраженная в В/Тл (берется из даташита).

    Например, в моем случае l з = 2 мм = 0,002 м, K B = 5 мВ/Гаусс = 50 В/Тл, откуда получаем:

    Реальная чувствительность к току оказалась равной 0,03В/А , то есть расчет получается весьма точным.

    Согласно даташиту на SS494B, максимальная измеряемая датчиком индукция равна 420 Гауссов, следовательно максимальный измеряемый ток равен:

    Фото датчика в зазоре:

    Расчет цепей ОУ

    В амперметре имеется два канала: до 10 А (23 вывод МК), и до 50 А (24 вывод МК). Переключением режимов занимается мультиплексор АЦП.

    В качестве опорного напряжения АЦП выбран внутренний ИОН, поэтому сигнал необходимо привести к диапазону 0 - 2.56 В. При измерении токов величиной ±10 А напряжение датчика составляет 2,5±0,3 В, следовательно нужно усилить и сместить его так, чтобы нулевая точка находилась точно посередине диапазона АЦП. Для этого используется ОУ IC2:A, включенный как неинвертирующий усилитель. Напряжение на его выходе описывается уравнением:

    Здесь под R2 подразумеваются последовательно соединенные R2 и P2, а под R3 соответственно R3 и P3, чтобы выражение не выглядело слишком громоздким. Чтобы найти сопротивления резисторов запишем уравнение дважды (для токов -10А и +10А):

    Напряжения нам известны:

    Задав R4 равным 20 кОм, получаем систему из двух уравнений, где переменными являются R2 и R3. Решение системы можно легко найти с помощью математических пакетов, например MathCAD (файл расчетов приложен к статье).

    Аналогичным образом рассчитывается и вторая цепь, состоящая из IC3:A и IC3:B. В ней сигнал с датчика сначала проходит через повторитель IC3:A, а затем попадает на делитель на резисторах R5, R6, P5. После ослабления сигнала, он дополнительно смещается операционным усилителем IC3:B.

    Описание работы микроконтроллера

    Микроконтроллер ATmega8A выполняет обработку сигналов с ОУ и вывод результатов на дисплей. Он тактируется от внутреннего генератора на 8 МГц. Фьюзы стандартные, за исключением CKSEL. В PonyProg они выставляются так:

    АЦП сконфигурирован на работу с частотой 125 кГц (коэффициент деления равен 64). По окончании преобразования АЦП вызывается обработчик прерывания. В нем запоминается максимальное значение тока, а также суммируются квадраты токов последовательных выборок. Как только число выборок доходит до 5000, микроконтроллер вычисляет RMS значение тока и выводит данные на дисплей. Затем переменные обнуляются и все происходит с начала. На схеме указан дисплей WH0802A, но можно использовать любой другой дисплей с контроллером HD44780.

    Прошивка микроконтроллера, проект для CodeVision AVR и файл симуляции в Proteus приложены к статье.

    Настройка схемы

    Настройка устройства сводится к регулировке подстроечных резисторов. Сначала нужно настроить контрастность дисплея, вращая P1.

    Затем, переключившись кнопкой S1 в режим до 10А, настраиваем P2 и P3. Выкручиваем один из резисторов максимально вправо и, вращая второй резистор, добиваемся нулевых показаний прибора. Пробуем измерить ток, величина которого точно известна, при этом показания амперметра должны получиться ниже, чем есть на самом деле. Подкручиваем оба резистора немного влево, так чтобы сохранилась нулевая точка, и опять измеряем ток. На этот раз показания должны стать чуть больше. Продолжаем это до тех пор, пока не добьемся точного отображения величины тока.

    Теперь переключимся в режим до 50А и настроим его. Резистором P4 выставляем ноль на дисплее. Измеряем какой-либо ток и смотрим на показания. Если амперметр завышает их, то крутим P5 влево если занижает, то крутим вправо. Опять выставляем ноль, проверяем показания при заданном токе и так далее.

    Фото устройства

    Измерение постоянного тока:



    Из-за недостаточно точной калибровки, значения немного завышаются.

    Измерение переменного тока частотой 50 Гц, в качестве нагрузки используется утюг:

    В теории среднеквадратичный ток синусоиды равняется 0.707 от максимального, но, судя по показаниям, этот коэффициент равен 0.742. После проверки формы напряжения в сети, выяснилось что оно лишь напоминает синусоиду. Учитывая это, такие показания прибора выглядят вполне достоверными.

    У прибора все же есть недостаток. На выходе датчика постоянно присутствуют шумы. Проходя через ОУ, они попадают на микроконтроллер, в результате чего невозможно добиться идеального нуля (вместо нуля отображается примерно 30-40 мА RMS). Это можно исправить, увеличив емкость C7, но тогда ухудшатся частотные характеристики: на высоких частотах показания будут занижаться.

    Использованные источники

    Список радиоэлементов

    Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
    IC1 МК AVR 8-бит

    ATmega8A

    		1 DIP-28 В блокнот
    IC2, IC3 Операционный усилитель

    MCP6002

    		2 SOIC-8 В блокнот
    IC4 Линейный регулятор

    L78L05

    		1 В блокнот
    IC5 Датчик Холла SS494B 1 В блокнот
    C1-C7 Конденсатор 100 нФ 9 К10-17б В блокнот
    R1, R3, R6, R9 Резистор

    10 кОм

    		4 SMD 1206 В блокнот
    R2 Резистор

    12 кОм

    		1 SMD 1206 В блокнот
    R4 Резистор

    20 кОм

    		1 SMD 1206 В блокнот
    R5 Резистор

    6.8 кОм

    		1 SMD 1206 В блокнот
    R7, R8 Резистор

    100 кОм

    		2 SMD 1206 В блокнот
    P1 Подстроечный резистор 10 кОм 1 3362P В блокнот
    P2 Подстроечный резистор 4.7 кОм 1 3362P

    В ходе эксплуатации электросети или какого-либо прибора приходится выполнять измерение силы тока.

    Из данной статьи вы узнаете, что понимается под этим термином и какие инструменты используются для этой цели.

    Заодно поговорим о мерах безопасности при проведении подобных работ.

    Единица измерения силы тока

    Силой тока в физике принято называть величину заряда, пересекающего поперечное сечение проводника за единицу времени. Единица измерения - ампер (А). Силу в 1 А имеет такой ток, при котором за 1-у секунду через сечение проводника проходит заряд в 1 кулон (Кл).

    Силу тока можно сравнить с напором воды. Как известно, в старину небольшие речки перегораживали плотинами, чтобы создать напор, способный вращать колесо мельницы.

    Чем более сильным был напор, тем более производительную мельницу можно было привести с его помощью в движение.

    Точно так же и сила тока характеризует работу, которую может выполнить электричество. Простой пример: лампочка при увеличении силы тока в цепи будет гореть ярче.

    Зачем нужно знать, какой силы ток протекает в проводнике? От силы тока зависит то, как он будет действовать на человека при случайном контакте с токоведущими частями. Производимый электричеством эффект отобразим в таблице:

    Сила тока, А (переменный с частотой 50 Гц) Эффект
    Менее 0,5 мА является незаметным для человека
    От 0,5 до 2 мА Появляется нечувствительность к различным раздражителям
    От 2 до 10 мА Болевые ощущения, спазм мышц
    От 10 мА до 20 мА Усиленные спазмы, некоторые ткани повреждаются. При силе тока от 16 мА человек теряет способность разжать или отдернуть руку, чтобы разомкнуть контакт с токоведущей частью
    От 20 мА до 100 мА Дыхательный паралич
    От 100 мА до 3 А Фибрилляция сердца, нужны безотлагательные меры по реанимированию пострадавшего
    Свыше 3 А Сильные ожоги, остановка сердца (при кратковременном воздействии возможность реанимирования сохраняется)

    А вот еще несколько причин:

    1. Сила тока характеризует нагрузку на проводник. Максимальная пропускная способность последнего зависит от материала и площади поперечного сечения. Если сила тока окажется слишком большой, провод или кабель будет сильно греться. Это может привести к расплавлению изоляции с последующим коротким замыканием. Вот почему проводку всегда защищают от перегрузок автоматическими выключателями или предохранителями. С особым вниманием к протекающей в проводах силе тока следует отнестись владельцам квартир и домов со старой проводкой: ввиду применения все большего количества электроприборов она часто оказывается в перегруженном состоянии.
    2. По соотношению значений силы тока в различных цепях электроприбора можно сделать вывод о его исправности. Например, в фазах электродвигателя должны протекать токи равной силы. Если наблюдаются расхождения, значит двигатель неисправен либо работает с перегрузкой. Таким же способом определяется состояние нагревательного прибора или электрического «теплого пола»: замеряется сила тока во всех составляющих устройства.

    Работа электричества, точнее говоря его мощность (количество работы за единицу времени), зависит не только от силы тока, но и от напряжения. Собственно говоря, произведение этих величин и определяет мощность:

    W = U * I,

    • W – мощность, Вт;
    • U – напряжение, В;
    • I – сила тока, А.

    Таким образом, зная напряжение в сети и мощность прибора, можно рассчитать, какая сила тока будет через него протекать при условии исправного состояния: I = W/U. К примеру, если известно, что мощность обогревателя составляет 1,1 кВт и работает он от обычной сети напряжением 220 В, то сила тока в нем составит: I = 1100 / 220 = 5 А.

    Формула измерения силы тока

    При этом нужно учитывать, что согласно законам Кирхгофа сила тока в проводе до разветвления представляет собой сумму токов в ветвях. Поскольку в квартире или доме все приборы подключаются по параллельной схеме, то если, допустим, одновременно работают два прибора с током в 5 А, то в подводящем проводе и в общем нулевом будет протекать ток силой в 10 А.

    Обратная операция, то есть расчёт мощности потребителя путем перемножения измеренной силы тока на напряжение, не всегда дает правильный результат. Если в устройстве-потребителе имеются обмотки, как например в электродвигателях, которым присуще индуктивное сопротивление, часть мощности будет расходоваться на преодоление этого сопротивления (реактивная мощность).

    Чтобы определить активную мощность (полезная работа электричества), нужно знать фактический коэффициент мощности для данного прибора, представляющий собой соотношение активной и реактивной мощностей.

    Приборы для измерения силы тока и напряжения

    Вот какие измерительные инструменты помогут электрику в данном вопросе:

    Амперметр

    Существует несколько разновидностей данного прибора, которые различаются принципом действия:

    1. Электромагнитный: внутри имеется катушка, протекаю по которой ток создает электромагнитное поле. Это поле втягивает в катушку железный сердечник, связанный со стрелкой. Чем большей будет сила тока, тем сильнее будет втягиваться сердечник и тем более будет отклоняться стрелка.
    2. Тепловой: в приборе установлена натянутая металлическая нить, связанная со стрелкой. Протекающий ток вызывает нагрев нити, степень которого зависит от силы тока. А чем сильнее нагреется нить, тем сильнее она удлинится и провиснет, соответственно, тем сильнее отклонится стрелка.
    3. Магнитоэлектрический: в приборе имеется постоянный магнит, в поле которого находится связанная со стрелкой алюминиевая рамка с намотанной на нее проволокой. При протекании через проволоку электрического тока рамка в магнитном поле стремится повернуться на некоторый угол, который зависит от силы протекающего тока. А от угла поворота зависит положение стрелки, отмечающей на шкале значение силы тока.
    4. Электродинамический: внутри прибора имеются две последовательно соединенные катушки, одна из которых является подвижной. При протекании по катушкам тока в результате взаимодействия возникающих при этом электромагнитных полей подвижная катушка стремится повернуться относительно неподвижной и при этом тянет за собой стрелку. Угол поворота будет зависеть от силы протекающего тока.
    5. Индукционный: ток пропускается через обмотки неподвижных катушек, соединенных магнитной системой. В результате образуется вращающееся или бегущее электромагнитное поле, воздействующее с некоторой силой (зависит от силы тока) на подвижный металлический цилиндр или диск. Тот связан со стрелкой.
    6. Электронный: такие приборы еще называют цифровыми. Внутри имеется электрическая схема, информация выводится на жидкокристаллический дисплей.

    Мультиметр для измерения силы тока

    Так принято называть универсальный электронный измеритель параметров тока. Он может переключаться как в режим амперметра, так и в режим вольтметра, омметра и мегомметра (измеряются сопротивления большой величины, обычно изоляции).

    Измерение силы тока мультиметром

    Результаты измерений отображаются на жидко-кристаллическом дисплее. Для работы прибору необходимо питание от батареек.

    Тестер

    По функциональности это тот же мультиметр, но аналоговый. Результаты измерений обозначаются на шкале при помощи стрелки, батарейки требуются только при наличии омметра.

    Измерительные клещи

    Измерительные клещи более практичны. Ими нужно просто зажать участок тестируемого провода, после чего прибор покажет силу протекающего в нем тока.

    При этом нужно учитывать, что в клещах должен оказаться только проверяемый проводник. Если зажать несколько проводников, прибор покажет геометрическую сумму токов в них.

    Измерительные клещи

    Таким образом, при помещении в токоизмерительные клещи 1-фазного провода целиком прибор покажет «нуль», так как в фазном и нулевом проводниках протекают разнонаправленные токи одинаковой величины.

    Методы измерения

    Первые три прибора для проведения измерений должны быть включены в цепь нагрузки последовательно с ней, то есть в разрыв провода. Для 1-фазной сети это может быть как фазный, так и нулевой провод. Для 3-фазной - только фазный, так как в нулевом протекает геометрическая сумма токов во всех фазах (при одинаковой нагрузке равна нулю).

    Отметим два важных обстоятельства:

    1. В отличие от вольтметра (измеритель напряжения), амперметр нельзя использовать без нагрузки, иначе получится короткое замыкание.
    2. Щупами прибора можно касаться проводов или контактов только при отсутствии напряжения, то есть тестируемая линия должна быть обесточена. В противном случае между близко расположенными щупом и проводом может возникнуть дуга с выделением тепла, достаточного для расплавления металла.

    Все измерительные приборы имеют переключатель диапазона, которым регулируется чувствительность.

    Заземление необходимо для безопасной эксплуатации электричества. – наиболее важный компонент электрической сети.

    Трансформатор 220 на 12 Вольт – назначение и рекомендации по изготовлению вы найдете .

    Заметим, что ток, потребляемый некоторыми приборами, такими как телевизионная и компьютерная техника, энергосберегающие и светодиодные лампы, не является синусоидальным.

    Поэтому некоторые измерительные приборы, принцип действия которых ориентирован на переменное напряжение, могут определять значение силы такого тока с ошибкой.

    Видео на тему