Obrázek   
Přihlášení
Uživatelské jméno:

Heslo:

Pamatovat si mne



Zapomenuté heslo

Nová registrace
Kam dále?
Hledání
Vzhled

(3 vzhledů)
Kdo je Online
11 uživatel(ů) je online (6 uživatel(ů) si prohlíží Články a povídání)

Uživatelé: 0
Hosté: 11

více...
Noví uživatelé
Kdo za co může
Administrátorka
Žirafka
Žirafka
Žirafička
Žirafička
Redaktoři
bernard
bernard
IvanH
IvanH
 
Emeritní
KatyH
KatyH

Elektronika - Voltmetr s potlačenou nulou

Voltmetr pro napájecí zdroj pevného napětí
Napsal/a Žirafka v 29. 12. 2017 v 14:09 (přečtení 1014×) Další články tohoto autora
Elektronika
     Před časem jsem si na Hezkém dni opatřila takový pěkný spínaný zdroj, který je schopen dodat proud 2 A při napětí 12 V. Napětí není úplně přesně stabilizováno, ale pro použití, na které jsem ho chtěla použít to tak nevadí. Rozhodla jsem se jej totiž použít jako náhradu palubní sítě auta pro zkoušení, měření a nabíjení různých věcí (hlavně navigace) právě do auta. Sice by se občas hodil zdroj silnější, ale ten jsem neměla a zatím to není zase tak úplně nutné.

     Zdroj jsem vlastně jen vestavěla do krabičky a bylo hotovo. Do té krabičky jsem ale dala měřící přístroje pro měření napětí a proudu. Zdroj je sice zkratuvzdorný (při přetížení se vypne), ale i tak je dobré vědět, co se děje a kolik proudu ze zdroje odebírám. Ampérmetr jsem použila úplně klasický, vypočítala jsem bočník a následně jej vyrobila složením z několika výkonových odporů. S voltmetrem to bylo složitější, protože použít voltmetr jednoduchý je sice velmi jednouché, ale rozlišení není tak dobré. Jako měřidla jsem totiž použila malá ručková měřidla (protože se mi prostě líbila a navíc byla v „šuplíku“). Zdroj sice není moc stabilizovaný, ale přeci jenom změny napětí nejsou tak obrovské, takže to chtělo něco lepšího. A tím něčím lepším je právě voltmetr s potlačenou nulou, o kterém si dneska něco povíme.

     Principiální schéma zapojení je prvním obrázku. Jedná se vlastně o můstek jehož tři větve jsou tvořené odpory a zbývající jedna větev je tvořená zdrojem referenčního napětí, zde tvořený zenerovou diodou.

Změněný obrázek
Obr. 1 – Princip voltmetru s potlačenou nulou.


     Zapojení funguje vlastně hrozně jednoduše. Předpokládejme napájecí napětí nula voltů a napětí zenerovy diody 10 voltů. Ručička přístroje je na svém mechanickém dorazu. Pokud se napájecí napětí začne zvyšovat, začne větví R2 + R3 procházet proud. Zrovna tak začne procházet proud přes R1, měřidlo a R3. Dokud je napájecí napětí menší než 10 voltů, tak bude levé straně měřidla kladnější napětí než na straně pravé a ručička bude stále na mechanickém dorazu (pro zjednodušení předpokládejme, že to měřidlu nevadí). Napětí na levé straně je vyšší proto, že diodou D1 zatím neprochází proud, takže napětí v uzlu je dané jen poměrem odporů R1, R3 a vnitřního odporu měřidla. Jsou zapojené do série a tvoří tak dělič napětí. Když napájecí napětí dosáhne hodnoty napětí zenerovy diody, začne jí protékat proud a napětí v tomto uzlu již nebude stoupat. Při dalším zvyšování napájecí napětí bude stoupat jen napětí v uzlu R2+R3 a když toto napětí dostoupí hodnoty napětí zenerovy diody, dostane se můstek do vyváženého stavu a napětí na měřidle bude nulové. Ručička je tak stále na svém mechanickém dorazu. Další zvýšení napájecího napětí napětí způsobí rozvážení můstku v jehož úhlopříčce se objeví napětí, které má kladný pól v uzlu R2+R3 a měřidlo proto začne měřit a ukazovat nějakou hodnotu. Výhodou je, že měříme s plnou citlivostí měřidla a přitom neměříme od nuly, ale od 10 voltů.

Změněný obrázek
Obr. 2 – celkové schéma voltmetru.


     Na druhém obrázku je již celkové schéma skutečného zapojení. Vychází ze schématu principiálního, ale je doplněné o několik dalších součástek, které jednak upravují rozsah a citlivost měřidla a také jej chrání před nežádoucími stavy v okamžiku, kdy je napětí mimo rozsah předpokládaného použití.

     Místo zenerovy diody je použit monolitický stabilizátor 78L07. Je to proto, že má mnohem lepší parametry, než zenerova dioda. A proč zrovna napětí 7 voltů? Jen proto, že těchto stabilizátorů bylo v zásobách nejvíce, lze použít téměř libovolný jiný stabilizátor s napětím od 5 do 10 voltů. Pokud by bylo potřeba měřit vyšší napětí, lze použít i stabilizátor s vyšším výstupním napětím, ale já jsem potřebovala měřit v rozsahu cca 10 až 13 voltů.

     Trimr R4 tvoří pravou část můstku z prvního obrázku (odpory R2 a R3) a celkově slouží k seřízení počátku stupnice. Odpor R2 slouží jednak jako zátěž stabilizátoru, některé nemají rádi, když pracují bez zátěže, a také slouží k odvedení proudu, který prochází přes měřidlo. Odpor R1 a trimr R3 omezují proud měřidlem a slouží ke zvýšení jeho rozsahu, jedná se vlastně o klasický předřadník.

     Dioda D1 chrání měřidlo před napětím opačné polarity v případě, kdy je napětí v uzlu R2+R3 menší než napětí na výstupu stabilizátoru. Diody D2 a D3 chrání měřidlo před přetížením v případě vyššího napájecího napětí, nebo při chybě během seřizování. Zároveň také trochu zpomalují pohyb ručičky měřidla při vypnutí napájecího napětí.

     Kondenzátory slouží k zajištění správného pracovního režimu stabilizátoru a jejich hodnoty jsou určené výrobcem stabilizátoru. Keramické kondenzátory C2 a C3 by měli být co nejblíže vývodům stabilizátoru.

     Čárkovaně naznačená dioda D4 má stabilizátor chránit proti zpětnému napětí v případě zkratu na vstupu voltmetru. Stabilizátory tohoto typu by neměli mít na výstupu vyšší napětí než na svém vstupu. Nicméně se domnívám, že v tomto případě je zbytečná, protože kapacita na výstupu stabilizátoru je minimální a náboj uložený v C3 nemůže stabilizátor ohrozit.

     Někdo možná namítne, že dioda zanese do obvodu chybu svojí volt-ampérovou charakteristikou. Mě to také napadlo a tak jsem si linearitu změřila. Ukázalo se, že dioda se při takto malém proudu chová velmi lineárně.

Napětí na zdrojiNapětí na měřidleNapětí na zdrojiNapětí na měřidle
10,1 V6,0 mV 11,5 V110,4 mV
10,2 V13,0 mV11,6 V118,6 mV
10,3 V19,8 mV11,7 V123,2 mV
10,4 V27,3 mV11,8 V133,0 mV
10,5 V33,6 mV11,9 V141,7 mV
10,6 V41,2 mV12,0 V151,0 mV
10,7 V48,7 mV12,1 V158,0 mV
10,8 V55,7 mV12,2 V167,0 mV
10,9 V64,0 mV 12,3 V174,1 mV
11,0 V71,2 mV12,4 V181,4 mV
11,1 V80,4 mV12,5 V189,5 mV
11,2 V88,6 mV12,6 V197,7 mV
11,3 V95,4 mV12,7 V206,2 mV
11,4 V104,0 mV12,8 V212,5 mV


Změněný obrázek
Obr. 3 – graf napětí na měřidle.


     Měřila jsem na zhotoveném prototypu a nezkoušela jsem více diod. Nicméně si myslím, že ostatní diody se budou chovat velmi podobně. Konec konců, každý zájemce si může svojí diodu změřit a případně vybrat tu nejvhodnější.

Mechanické konstrukce

     Svůj voltmetr jsem postavila na univerzální desce plošných spojů. Mám sice navrhnutou i finální desku, ale mám intenzivní pocit, že v tomto přístroji ji nepoužiji Nicméně je určitá, docela značná, pravděpodobnost, že voltmetr budu stavět ještě jednou a pak bych udělala spojovou desku načisto.

Seřízení voltmetru

     Trimr R3 nastavíme na maximum a trimr R4 na minimum. Na vstupní svorky přivedeme minimální napájecí napětí, které chceme mít na začátku stupnice, a potom otáčíme R4 tak dlouho, až se ručička měřidla zvedne ze svého mechanického dorazu. Zvýšíme napájecí napětí ma hodnotu maxima, které chceme měřit na konci stupnice, a pomocí R3 seřídíme ručičku na konec stupnice. Oba trimry se mírně ovlivňují, takže je lepší nastavení ještě jednou zopakovat.

Změněný obrázek
Obr. 4 – pohled na prototyp voltmetru. Nalevo je popisovaný voltmetr, vpravo je ampérmetr s bočníkem a v přední části je vidět spínaný zdroj.


Změněný obrázek
Obr.5 – pohled na novou stupnici voltmetru.


     Místo použitého typu stabilizátoru by se dala použít například reference TL431, klesla by tak spotřeba proudu. Při pokusech se ale ukázalo, že mnou použitý stabilizátor se během přechodových stavů při zapínání, a hlavně vypínání, napájecího napětí chová lépe. S obvodem TL431 sebou ručička prudce zmítala přes celou stupnici tam a zpět.

     Voltmetr mi slouží již nějaký měsíc (vlastně je to již půl roku) ve zdroji a musím říci, že slouží dobře. Pochopitelně by šel ještě vylepšit, ale takto je jednoduchý a spolehlivý. Nemá sice nejmenší spotřebu (cca 5 mA), ale to u síťového zdroje, schopného dodat více jak 2 A, nehraje roli.

Použité součástky (v prototypu)

R1 – 10k (podle citlivosti měřidla)
R2 – 560 ohmů (není kritický)
R3 – 10 k trimr (podle citlivosti měřidla)
R4 – 10 k trimr

D1 až D4 - 1N4148

IO1 – LM78L07 (nebo viz text)

C1 – 100 uF/ 25 V, elektrolytický (kapacita není kritická)
C2, C3 - 100 nF, keramický

Měřidlo DH-45 (ačkoli na stupnice přístroje je nápis JY-45), svorky, spojová deska.

Použitá literatura:

304 zajímavých zapojení 2. díl, návod „96. Voltmetr pro měření síťového napětí“, vydalo nakladatelství HEL v roce 2000.


Aktualizace 4. 1. 2018: Opravila jsem chybu v osmém odstavci a trochu jsem upravila text čtvrtého odstavce. Nebyla v něm chyba, ale připadá mi, že takto je text srozumitelnější. Do dalších odstavců jsem doplnila ještě pár slov.
Hodnocení: 9,00 (4 hlasy) - Ohodnotit -
Formátovat pro tisk Poslat známému Vytvořit z článku PDF
Komentář je vlastnictvím svého autora. Vyjadřuje jeho názory, ne názory redakce nebo provozovatele webu či serveru.
Napsal/a Vlákno
host
Publikováno dne: 3.1.2018. 22:24  
 Odp: Voltmetr s potlačenou nulou
Tyto malé "Lkové" stabilizátory už na nic nepoužívám. Oproti klasickým v pouzdře TO220 mají vnitřní zapojení poněkud dost zjednodušené (aby se to vešlo do pouzdra) a na výsledku je to poznat - ochotněji kmitají a také ochotněji propouští různé špičky a rušení. Měnil jsem je v různých malých zdrojích co chvíli, když už jsem měl špatných hromádku tak jsem tam začal cpát normální velké a od té doby je klid.

Něco podobného se týká i té TL431 - výrobci o té součástce hovoří jako o regulovatelné zenerově diodě, ale ve skutečnosti je to integrovaný obvod a s výdrží na tom není o nic líp než ty malé stabilíky (spíš ještě o něco hůř), odchází to také jeden za druhým. Tragédie je, že tuhle součástku výrobci často cpou do řízení spínaných zdrojů - při nevhodné konstrukci zdroje a odejití této součástky zdroj "hvízdne", napětí vyletí kam až může a pak vyletí zpravidla celej primár, přičemž někdy s sebou vezme "do křemíkového nebe" i něco z toho, co bylo pověšený na sekundáru. Tuhle součástku opravdu nemám rád.
Žirafka
Publikováno dne: 4.1.2018. 5:36  
Administrátorka
Datum registrace: 04.05.2008
Bydliště: Ústecký kraj
Počet komentářů: 1004
 Odp: Voltmetr s potlačenou nulou
Díky za názor, já mám naštěstí jinou zkušenost (ťuk, ťuk, ťuk), ale možná se to bude někomu hodit.
host
Publikováno dne: 8.1.2018. 21:08  
 Odp: Voltmetr s potlačenou nulou
TL431 je možno pro zvýšení spolehlivosti dávat dva paralelně.
Žirafka
Publikováno dne: 9.1.2018. 5:44  
Administrátorka
Datum registrace: 04.05.2008
Bydliště: Ústecký kraj
Počet komentářů: 1004
 Odp: Voltmetr s potlačenou nulou
Zajímavý nápad, ale vlastně proč ne? Zenerky se také dají řadit paralelně a tento integrovaný obvod je prezentovaný jako řiditelná zenerka.

Zkoušel jsi to? A jak se taková dvojice ve skutečnosti chová? Je to stabilní nebo má tendenci dělat neplechu?
EKKAR
Publikováno dne: 13.1.2018. 1:35  
Přispěvatel
Datum registrace: 07.12.2008
Bydliště: v České Třebové
Počet komentářů: 136
 Odp: Voltmetr s potlačenou nulou
U TL431 je stejně jako u všech ostatních polovodičů nejdůležitějším požadavkem na provozní spolehlivost MÍRA ZATÍŽENÍ SOUČÁSTKY. Ten švábík má sice v datasheetu psanej maximální "příčnej proud" AŽ 100mA, jenomže taky má psanej maximální rozptylovanej ztrátovej výkon v miliwattech - viz třeba tady: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl432.pdf .

Sice je všude tvrzeno, že je to "shunt voltage regulator", neboli paralelní = bočníkovej regulátor napětí neboli má se chovat jako nastavitelná zenerova dioda, ale je mnohem lepší nevyužívat ho na jeho výkonovejch hranicích a použít ho jako "referenci" pro další výkonovější součástky.

Což zrovna ve většině těch spínáků udělaný je - tenhle švábík ovládá jen proud do IR LED diody ve zpětnovazebním optočlenu, kterou teče maximálně proud cca 10mA. Pokud je ale zapojenej přímo do zpětný vazby vedený bez oddělení až na primární stranu a teče přes něj proud desítek mA trvale, je podstatně víc zatíženej a pokud nemá zajištěný dostatečný chlazení, samozřejmě po krátký době vypustí pracovní médium a odebere se do silikonovýho nebe.

To samý platí i pro malý stabilizátory LM78Lxx v pouzdru TO-92 ("malej bakelitovej mrzák" - pokud nemají dostatečněj odvod tepla, budou odcházet mnohem rychlejším tempem, než v líp uchladitelnejch pouzdrech TO-126 ("střední placatej bakelitovej mrzák s dírkou", TO-220 ("velkej placatej bakelitovej mrzák s křidýlkem a s dírkou" nebo dokonce TO-3 ("velkej celokovovej mrzák se dvěma dírkama".

Takže pokud si někdo stěžuje, že jemu TL431 nebo malý 78Lxx odcházejí jak na běžícím páse, měl by začít se zametáním před vlastním prahem a vzpomenout si, jak u nich zajistil výkonový NEpřetěžování respektive jejich správně navržený provozní chlazení ....
host
Publikováno dne: 15.1.2018. 22:03  
 Odp: Voltmetr s potlačenou nulou
Nezajišťoval nijak, jednalo se vždy o koupené adaptérové zdroje (anténní například) nebo zdroje již hotových přístrojů - televize (tehdy ještě CRT), satelitní přijímače atd.. třeba takový Philips DSX6010, ten byl svým zdrojem (i spotřebou přes 20W ve standby) přímo proslulý. V něm byly ty TL431 hned dvě (nebo tři? už přesně nevím, nějakej pátek to už bude).
jindra
Publikováno dne: 12.2.2018. 13:46  
 Odp: Voltmetr s potlačenou nulou
Do paralelního řazení Zenerek by mě asi nikdo neuvrtal. Musely by mít absolutně shodnou charakteristiku a ani ak bych tomu moc nevěřil. Odskákala by si to ta s nižším Uzd a v závěsu by sebou potáhla tu druhou
Žirafka
Publikováno dne: 13.2.2018. 17:38  
Administrátorka
Datum registrace: 04.05.2008
Bydliště: Ústecký kraj
Počet komentářů: 1004
 Odp: Voltmetr s potlačenou nulou
Citát:
Odskákala by si to ta s nižším Uzd a v závěsu by sebou potáhla tu druhou


Také si to myslím, ale možná je to špatná domněnka a v reálu to funguje dobře. Chtělo by to zkusit.
jindra
Publikováno dne: 6.3.2018. 11:46  
 Odp: Voltmetr s potlačenou nulou
EKKAR: Ono vůbec zatěžovat dlouhodobě jakékoli malé součástky nad 70% je o život a někdy nejen jejich, že ano.
Pro skutečně stabilní napětí používám referenční zdroje s mnimálním proudem a zásadně na jmenovitém napětí. Následuje OZ, kterým to napěťově vyženu, kam potřebuji a poté proudové zesílení. Zatím jsem u téhle kombinace nenarazil na problém. Nejčastěji používám LM336Z-2.5V
Odeslat komentář
Pravidla komentářů*
Všechny komentáře se automaticky schválí.
Nadpis*
Jméno*
Email*
Webová stránka*
Zpráva*
Potvrzovací kód*
6 - 4 = ? (slovem)  
Napište výsledek tohoto příkladu
Maximální počet pokusů je omezen na 10.
Obrázek Obrázek
ObrázekObrázekObrázekObrázekObrázek
Obrázek
Redakční systém XOOPS 2.5.9
Obsah © 2008-2018 Žirafoviny