Амперметр переменного тока своими руками

Недостатки промышленного амперметра

Подобрать токовый амперметр — дело непростое. Большинство приборов выпускается на Западе, в Китае или в странах СНГ, и в каждой стране к ним предъявляют свои индивидуальные требования. Также в каждой стране свои допустимые величины постоянного и переменного тока, требования к розеткам. В связи с этим при подключении амперметра западного производства к отечественному оборудованию может оказаться, что прибор не может правильно измерить силу тока, напряжение и сопротивление.

С одной стороны, такие устройства очень удобны. Они компактны, снабжаются зарядным устройством и просты в пользовании. Классический стрелочный амперметр не занимает много места и имеет визуально понятный интерфейс, но он часто не рассчитан на существующее напряжение сопротивление. Как говорят бывалые электрики, на шкале «не хватает ампер». Приборы, устроенные таким образом, обязательно нуждаются в шунтировании. Например, бывают ситуации, когда нужно измерить величину до 10а, а на шкале прибора отсутствует цифра 10.

Вот основные недостатки классического фабричного амперметра без шунта:

• Большая погрешность в измерениях;
• Диапазон измеряемых величин не соответствует современным электроприборам;
• Крупная калибровка не позволяет измерять малые величины;
• При попытке измерить большую величину сопротивления прибор «зашкаливает».

Для чего нужен шунт

Шунт необходим для того, чтобы правильно измерить сопротивление в тех случаях, если амперметр не предназначен для измерения таких величин. Если домашний мастер часто имеет дело с такими величинами, есть смысл изготовить шунт для амперметра своими руками. Шунтирование значительно повышает точность и эффективность его работы. Это важное и нужное устройство для тех, кто часто пользуется тестером. Обычно его используют владельцы классического амперметра 91с16. Вот основные преимущества самодельного шунта:

• Позволяет измерить сопротивление там, где у фабричного или самодельного амперметра не хватает делений на шкале;
• Помогает адаптировать зарубежные амперметры к российским электрическим цепям;
• Точность тестера значительно увеличивается;
• Защищает тестер от поломок и продлевает срок его службы. Любая ситуация, когда тестер «зашкаливает» является стрессом для прибора. Если амперметр «зашкаливает» часто (обычно так бывает, если он отсутствует), прибор быстро выходит из строя, а починить его непросто (легче купить новый).

Порядок изготовления

С самостоятельным изготовлением шунта легко справится даже первокурсник профессионально-технического училища или начинающий электрик-любитель. Если подключить это устройство соответствующим образом, оно значительно увеличит точность амперметра и прослужит долго. В первую очередь необходимо произвести расчет шунта для амперметра постоянного тока. Узнать о том, как производить расчеты, можно через интернет или из специализированной литературы, адресованной домашним электрикам. Рассчитать шунт можно с помощью калькулятора.

Для этого нужно просто подставить конкретные значения в готовую формулу. Для того чтобы воспользоваться схемой расчета, необходимо знать реальные напряжение и сопротивление, на которые рассчитан конкретный тестер, а также представлять себе тот диапазон, до которого нужно расширить возможности тестера (это зависит от того, с какими именно приборами чаще всего приходится иметь дело домашнему электрику).

Для изготовления прекрасно подойдут такие материалы:

• Стальная скрепка;
• Моток медной проволоки;
• Манганин;
• Медный провод.

Можно приобрести материалы в специализированных магазинах или воспользоваться тем, что есть дома.

По сути, шунт — это источник дополнительного сопротивления, снабженный четырьмя зажимами и подсоединенный к прибору. Если для его изготовления используется стальная или медная проволока, не стоит скручивать его в виде спирали.

Лучше аккуратно уложить его в виде «волн». Если шунт рассчитан правильно, тестер будет работать намного лучше, чем раньше.

Металл для изготовления этого устройства должен хорошо проводить тепло. А вот индуктивность в том случае, если домашний электрик имеет дело с протеканием большого тока, может негативно повлиять на результат и способствовать его искажению. Это тоже нужно иметь в виду при изготовлении шунта в домашних условиях.

Полезные советы

Если домашний электрик решил приобрести амперметр промышленного производства, следует выбирать прибор с мелкой калибровкой, потому что он будет более точным. Тогда, возможно, не понадобится и самодельный шунт.

При работе с тестером следует соблюдать элементарную технику безопасности. Это поможет избежать серьезных травм, вызванных поражением электрическим током.

Если тестер систематически «зашкаливает», использовать его не стоит.

Возможно, что прибор или неисправен, или не способен показать правильный результат измерений без дополнительного приспособления. Лучше всего приобретать современные амперметры отечественного производства, потому что они лучше подходят для тестирования электроприборов нового поколения. Перед тем как начинать работу с тестером, следует внимательно прочитать инструкцию по эксплуатации.

Шунт — прекрасный способ оптимизировать работу домашнего электрика по тестированию электрических цепей. Для того чтобы сделать это устройство своими руками, понадобятся только исправный тестер промышленного производства, подручные материалы и элементарные познания в области электрики.

Датчики и микроконтроллеры. Часть 3. Измеряем ток и напряжение

Мы переходим к завершающей части обзорного цикла датчиков, в которой рассмотрим датчики постоянного и переменного тока и напряжения. По всем остальным датчикам, которые не попали в основную серию мы сделаем дополнительные обзоры когда они вдруг понадобятся в будущих статьях.
Данная статья открывает новый цикл материалов про измерение параметров качества электроэнергии, куда войдут вопросы подключения датчиков тока и напряжения к микроконтроллеру, рассмотрение алгоритмов работы анализаторов качества электроэнергии, смысл тех или иных показателей качества электроэнергии и что они обозначают. Кроме того, мы затронем волнующую многих тему точности оцифровки и обработки данных, упомянутую в комментариях к первой статье.

Часть 1. Мат. часть. В ней рассматривается датчик, не привязанный к какому-то конкретному измеряемому параметру. Рассматриваются статические и динамические характеристики датчика.
Часть 2. Датчики климат-контроля. В ней рассматриваются особенности работы с датчиками температуры, влажности, давления и газового состава
Часть 3. Датчики электрических величин. В этой части я рассмотрю датчики тока и напряжения
ВНИМАНИЕ: Не вставляйте спицы в розеткуНе лезьте в сеть 220В без необходимых на то навыков!

Бывает постоянный ток, бывает переменный. Бывает все и сразу, что иногда приносит много проблем. Но об этом позже. Для начала, разберемся с терминологией.

Рисунок 1: напряжение в цепях переменного тока
При измерении переменного тока мы имеем 4 различных величины, которыми будем руководствоваться при проведении измерений. Все нижеприведенные формулы и термины применимы и к измерителю тока.
1. Мгновенное значение напряжения — это разность потенциалов между двумя точками. Измеренная в определенный момент времени. Это значение является базовым во всех остальных вычислениях. Фактически, наша задача будет заключаться в считывании последовательного набора мгновенных значений напряжения через равные промежутки времени, чтобы впоследствии с их помощью получить некие другие данные.

u = u(t) (1)
Получится примерно следующий график:

Рисунок 2: Измерение серии мгновенных значений напряжения
При выборе частоты опроса датчиков мы руководствуемся теоремой Котельникова-Шеннона, когда для того, чтобы восстановить сигнал с частотой f необходимо производить считывание с частотой Больше чем 2f. Отмечу необходимость строгого неравенства, т. е. если нам надо оцифровать сигнал с частотой 50Гц, то считывание необходимо производить с частотой, не менее 101 Гц. Но, понятное дело, чем больше тем лучше.
Если вспомнить ГОСТ на показатели качества электроэнергии, то в разделе Гармоник мы найдем, что интересными для нашего измерения являются гармоники вплоть до 40, т. е. до 2кГц. И микросхемы счетчиков электроэнергии производят считывание с частотой 4096 раз в секунду. Степень двойки выбрана для того, чтобы можно было применять быстрые алгоритмы преобразования Фурье.
Имея этот большой набор данных, собранный за единицу времени, например, 1с переходим к следующим:
2. Амплитудное значение напряжения — которое определяется как максимальное по модулю значение из нашей выборки:
(2)
где – массив с данными.
Для гармонических колебаний это значение используется в следующей формуле:
(3)
3. Среднее значение напряжения, т. е. Среднее арифметическое, т. е. постоянная составляющая переменного напряжения.
(4)
Где— период дискретизации аналогового сигнала. Я намеренно пишу сумму вместо интеграла. В промышленной сети переменного тока среднее значение должно быть равно нулю. Если это условие не выполняется, могут быть определенные проблемы, так как постоянный ток подмагничивает трансформаторы, вводя их в насыщение, либо подогревает питающую линию. Последнее кстати может быть полезно для решения проблемы намерзшего льда на проводах — провод подогревают и лед отваливается.
В слаботочных аналоговых цепях постоянная составляющая присутствует сплошь и рядом и может быть очень полезна. А если она нам будет мешать, то мы от нее быстро избавимся, но об этом позже.
4. Среднеквадратичное значение напряжения. — известное также как действующее значение напряжения — на линейной активной нагрузке оно совершает ту же самую работу, что и постоянное напряжение аналогичного уровня. Определяется по следующей формуле:
(5)
При измерении напряжения в розетке нас, как правило, интересует именно это самое действующее напряжение, которое составляет 230/380В.
Амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения связаны между собой через . Во время проектирования измерительной системы нас будет интересовать в первую очередь именно амплитудное значение напряжения и тока.
Во время измерений будем руководствоваться одной из следующих схем:
Рисунок 3: Подключение измерительных приборов
Загадка для ума — обе схемы подключения правильные, но при каких обстоятельствах важно правильно выбрать одну из них? Ответы в комментариях.

Датчики напряжения

Первым делом произведем измерение напряжения. Все нижесказанное относится к напряжениям не менее напряжения питания АЦП нашего контроллера. Таким образом, нам необходимо измерить напряжение с амплитудой большей, чем АЦП способен прожевать. Следовательно, уровень напряжения необходимо понизить — т.е. произвести ослабление сигнала.
Для малых напряжений (например как термоЭДС термопары из прошлой статьи) нужна обратная задача — усиление сигнала. Это более сложная задача и мы обязательно к ней вернемся в следующих статьях.
Поставим условие для расчета наших датчиков:
Измеряемое напряжение: переменное, 0-1000В, частота 50/60Гц. Для трехфазного напряжения в 380В амплитудное составляет почти 600В, а ведь есть сети и на 660В. Так что пусть будет. На самом деле этот расчет я взял из своей железки и переделывать его мне лень.
Выходное напряжение ± 1,65В — половина от питающего +3,3В

Делитель напряжения

Самым простым способом будет делитель напряжения.
Рисунок 4: Делитель напряжения
Напряжение на нашем измерительном приборе будет определяться как входное напряжение, умноженное на коэффициент делителя:
(6)
При выборе сопротивления резисторов необходимо определиться со следующими требованиями:
1. Ток через цепь резисторов должен быть на 1-2 порядка больше, чем ток нашего измерительного прибора для того, чтобы этот ток не влиял на показания. Измеритель имеет конечное значение сопротивления и получается, что к резистору R2 подключен еще один резистор. Чем внутреннее сопротивление больше, чем ближе общее сопротивление к сопротивлению R2. Сопротивление внутренних цепей АЦП ATmega, к примеру, 100 МОм.
2. Мощность, выделяемая на нашем делителе не должна быть слишком большой
3. Приложенное входное напряжение должно быть меньше напряжения пробоя резистора.
Пусть ток через наш делатель составит 1мА. Тогда, общее сопротивление резисторов будет равно:
(7)
Определим требуемый коэффициент передачи нашего делителя:
(8)
По ряду номиналов резисторов E24 выберем ближайшее значение, дающее около 1МОм:
R1 = 990 кОм (три резистора по 330 кОм)
тогда резистор R2 = K·R1 = 1,63 кОм
Из ряда Е24 выбираем второй резистор R2 = 1,6 кОм
Проверим коэффициент:
(9)
Погрешность с ранее расчетным 2,3%, что нас вполне устроит. Вообще-то можно точно подобрать резисторы из ряда Е192, но в моем случае это не обязательно — напряжение в 1000В на входе — это нештатный режим, да и калиброваться система все равно будет потом.
Выглядеть измерительная цепь будет следующим образом:
Рисунок 5: Цепь измерителя напряжения
При разработке делителя напряжения на большие рабочие напряжения необходимо учитывать предельно допустимые напряжения для используемых резисторов.
Например номинальное рабочее напряжение для SMD резисторов — 15 В (0201); 50 В (0402, 0603); 150 В (0805); 200 В (1206, 2010, 2512),
А предельно-допустимое — 50 В (0201); 100 В (0402, 0603); 200 В (0805); 400 В (1206, 2010, 2512).
Именно поэтому я использую три последовательно-соединенных резистора типоразмера 1206 — они укладываются в 555 вольт рабочего и 1000В предельно-допустимого.
Разумеется, все эти резисторы должны быть высокоточными, так как от их сопротивления и термостабильности этого сопротивления зависит точность измерения.
На базе цепочки R4-C1 собран фильтр низких частот, чтобы никакие помехи нам не были страшны. Можем кстати быстренько посмотреть что делает этот фильтр:
Рисунок 6: Частотная характеристика фильтра

Как видно из графика ЛАЧХ, для рабочего диапазона частот от 0 до 2000Гц фильтр практически не портит амплитуду и фазу сигнала. А вот помехи на частотах порядка 100кГц и выше, исходящие от ВЧ преобразователей, надежно давятся. Так что все супер.
Достоинства:

• широкий диапазон напряжений и частот, определяемый номиналами резисторов;
• высокая точность, опять таки определяемая точностью и термостабильностью резисторов;
• измеряет постоянное и переменное напряжение.

Недостатки:

• отсутствует гальваническая развязка — при взаимодействии с промышленной сетью необходимо предусмотреть защиту пользователя от электрических цепей, либо использовать гальваническую развязку;
• низкий КПД — весь ток делителя уходит в тепло;

Трансформатор напряжения

Рисунок 7: Трансформатор напряжения
Для случаев, когда нужно измерить очень высокие напряжения, 6/10кВ и выше, используется трансформатор напряжения Фактически, он представляет собой обычный трансформатор, основным режимом работы которого является режим холостого хода.
Класс точности такого трансформатора зависит от рабочего участка характеристики намагничивания. Ведь нам надо пропустить через него не просто сигнал с определенной амплитудой, но и не испортить ее форму. Здесь как раз проблема — большинство трансформаторов напряжения практически не пропускает гармоники. Все дело в металлическом сердечнике и потерях на перемагничивание. При этом, чем тоньше пластины сердечника. тем лучше его частотные характеристики.
Обычный класс точности трансформатора — 0,5, 1, 3
Достоинства:

• огромный диапазон рабочих напряжений — до сотен киловольт и выше;
• столь необходимая гальваническая развязка.

Недостатки:

• работает на определенной полосе частот;
• работает только с переменным напряжением;

Последний недостаток слегка надуман, так как если надо, можно воспользоваться измерительным трансформатором постоянного тока. Да, трансформаторы постоянного тока «существуют», но правильное название устройства — магнитный усилитель. Точность и линейность таких приборов оставляет желать лучшего — работа происходит на участке насыщения сердечника подмагничиванием.
Выглядит это вот так:
Рисунок 8: Измерение постоянного тока с помощью магнитного усилителя
Почитать об этом чуде техники можно здесь: analogiu.ru/6/6-2-2.html
Если тема будет интересна, то запилю обзор этих старинных регуляторов.

Электронный изолированный датчик

Недостатков и той и другой схемы лишен электронный изолированный датчик. Фактически, он представляет собой завершенное устройство. Внутри которого имеется и делитель напряжения, и операционные усилители, и блок гальванической развязки и схема изолированного питания всего этого безобразия:
Рисунок 9: Структурная схема электронного изолированного датчика
Мне попадались на глаза только промышленные датчики с выходом по напряжению 0-10В или по току 0-10мА. В отличие от предыдущих датчиков выдает однополярный сигнал. В принципе, такую схему можно разработать и самостоятельно, применив, к примеру. изолированный аналоговый усилитель вроде HCPL-7850. Главный недостаток схемы — очень сложно и очень дорого.

И как верно отмечает в комментариях тов. progchip666
Передать аналоговый сигнал с точностью даже один процент по гальваноразвязанному интерфейсу крайне трудно, поэтому часто в этом случае приходится перегонять его в цифру и в таком виде уже перегонять.
К сожалению на усилитель, изображённый на схеме надо ещё и питание подать. Разумеется от гальваноразвязанного источника.
Достоинства:

• гальваническая развязка;
• высокая точность;
• широкий диапазон напряжений и частот;
• измеряет постоянное и переменное напряжение.

Недостатки:

• дорого;
• сложная схемотехника.

Дополнительные ссылки

датчики тока и напряжения ABB www.power-e.ru/2006_03_56.php
датчики тока и напряжения LEMwww.sensorica.ru/pdf/LEM.pdf
Измерители электроэнергиии STMP32 www.compel.ru/lib/ne/2015/4/2-dlya-odnofaznyih-i-mnogofaznyih-schetchikov-novyie-izmeritelnyie-mikroshemyi-ot-st
ru.wikipedia.org/wiki/Электрическое_напряжение

Датчики тока

Измерительный шунт

Самый простой и самый точный способ измерения тока. Как известно, при протекании тока через активное сопротивление, на нем происходит падение напряжения, пропорциональное измеряемому току. Отлично, берем резистор и помещаем его в разрыв измеряемой цепи:
Рисунок 10: Датчик тока токовый шунт
Падение напряжения на шунте пропорционально пропускаемому току:
(10)
Соответственно в зависимости от требуемого напряжения на выходе датчика подбираем нужное сопротивление шунта. Но! Падение напряжения на шунте приведет к потерям мощности, выделяемым в тепло, соответственно при больших токах мы вынуждены довольствоваться малыми значениями напряжения с датчика, дабы ограничить потери. Вот эти выпускаемые промышленностью шунты типа ШСМ обеспечивают стандартное выходное напряжение в 75мВ при номинальном токе:
Рисунок 11: Токовый шунт типа ШСМ
На напряжение в 75мВ откалибровано большинство измерительных головок для шунтов. Обратите внимание на вторую пару винтов — они предназначены специально для подключения к измерительному прибору для повышения точности измерений за счет разделения токов силовой и измерительной цепи…
Для измерения тока с помощью таких шунтов требуется использовать операционные усилители. При этом, средний коэффициент усиления составляет 20-40, что под силу широко-распространенным операционным усилителям. В принципе, в некритичных цепях постоянного тока можно воспользоваться и усилительным каскадом на базе одного транзистора. Линейность такой схемы будет хромать, но для пороговых цепей защиты — это простой и надежный вариант.
Получим следующую схему:
Рисунок 12: Использование ОУ в качестве усилителя
Следует учитывать, что при измерении переменного тока, выходной сигнал будет биполярный и операционный усилитель требуется запитать от двухполярного источника питания.
Глянем на всякий случай, как работает наша схема:
Рисунок 13: Моделирование усилителя датчика тока
На вход подаем 75мВ, умножаем на 20, на выходе имеем сигнал с амплитудой 1,5В для тока в 10А. В следующем материале мы разберемся, чем может быть неудобен биполярный сигнал.
Достоинства:

• высокая точность;
• широкий диапазон напряжений и частот;
• измеряет постоянный и переменный ток.

Недостатки:

• отсутствует гальваническая развязка;
• низкий КПД.

Измерительный трансформатор тока

Измерительный трансформатор тока представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого подключается к источнику тока, а вторичная замыкается на измерительные приборы или устройства защитной автоматики.
Трансформаторы тока используются для измерения токов в сильноточных цепях, зачастую я высоким потенциалом. Например, нам захотелось измерить ток в сети 10кВ. Либо, мы хотим получить простой и относительно дешевый способ гальванической развязки измеряемой цепи тока нашего устройства на 220В. Основная проблема трансформаторов тока заключается в том, что они умеют измерять только переменное напряжение.
Трансформатор тока всегда нагружается. Если вторичная обмотка трансформатора тока окажется разомкнутой, то на ней возникнет потенциал в пару тысяч киловольт, который покалечит персонал и выведет из строя прибор, пробив его изоляцию.
Трансформаторы бывают со встроенной первичной обмоткой. Например такие:
Рисунок 14: Трансформатор тока серии CS2106L от Coilcraft
Либо вот такие слоники, имеющие подобие первичной обмотки в виде огромной шины, либо вовсе окно для пропускания через него провода
Рисунок 15: Промышленный трансформатор тока на много ампер
Основной недостаток трансформатора тока — это работа только на определенной частоте 50, 60 или 400Гц из-за металлического сердечника. Разумеется, трансформатор тока способен передать сигнал и большей частоты, однако с гораздо меньшей точностью. При этом, следует обратить внимание на толщину листа используемого сердечника — чем тоньше железо в трансформаторе тока, тем выше предельно допустимая рабочая частота. Кстати существуют трансформаторы тока из феррита, которые используются для измерения систем с частотой 50-60 и более кГц. Например серияCS1 от Coilcraft рассчитана для работы в диапазоне 20-50кГц и может найти применение в импульсных источниках питания.
А вот если мы его удалим, то получим воздушный трансформатор, или, т. н. Катушку Роговского:
Рисунок 16: Схема подключения катушки Роговского
В отличие от остальных датчиков, требующих взаимодействия с измеряемой цепью, катушку Роговского можно установить поверх проводов измеряемой цепи как поясок.
Некоторые измерительные приборы комплектуются такими датчиками:
Рисунок 17: Датчик катушка Роговского
Диапазон измеряемых токов — от десятков до тысяч ампер, но они страдают от невысокой точности.
Достоинства:

• гальваническая развязка;
• работа с большими токами в тысячи Ампер;

Недостатки:

• измеряет только переменный ток в определенном диапазоне частот(кроме катушки Роговского);
• изменяет фазу сигнала и требует компенсации

Датчики тока на эффекте Холла

Датчики этого типа используют эффект возникновения разности потенциалов при помещении проводника с током в магнитное поле.
Рисунок 18: Эффект Холла
При создании датчика мы берем магнитопровод, пропускаем через него провод измеряемой цепи и в разрез магнитопровода помещаем датчик Холла, получая датчик тока открытого типа:
Рисунок 19: Датчик тока на эффекте Холла открытого типа

Достоинством такого датчика является простота. Недостатком — наличие подмагничивания сердечника, следовательно, повышение нелинейности показаний.
Добавим на сердечник обмотку и пустим по ней ток, пропорциональный измеряемому току:
Рисунок 20: Датчик тока на эффекте Холла компенсационного типа
С нулевым подмагничиванием сердечника мы повышаем линейность датчика и его класс точности. Однако по своей конструкции такой датчик приближается к трансформаторам тока, соответственно его стоимость повышается в разы.
Как и трансформаторы, бывают разновидности датчиков, позволяющие пропустить через себя силовой провод:
Рисунок 22: Датчик тока на эффекте Холла
Существуют датчики с разделяемым сердечником — однако их стоимость просто зашкаливает.
Датчики с интегрированной силовой цепью на базе эффекта Холла с гальванической развязкой 2,1кВ и 3кВ выпускаются компанией Allegro. Ввиду своих малых размеров они не обеспечивают высокой точности, но зато компактны и просты в использовании.
Рисунок 23: датчик тока Allegro ACS754

• Датчик ACS712 – измерение постоянного и переменного тока до 30А с точностью ± 1,5%
• Датчик ACS713 – оптимизирован для измерения постоянного тока до 30А. Имеет вдвое большую чувствительность чем его универсальный собрат.
• Датчик ACS754 – измерение постоянного и переменного тока до 200А с точностью ± 1,5%
• Датчик ACS755 – оптимизирован для измерения постоянного тока.
• Датчик ACS756 – датчик для измерения постоянного и переменного тока до 100А с напряжением питания 3-5В.

Рисунок 24: Зависимость выходного напряжения датчика от тока
Достоинства:

• широкий диапазон измеряемых токов с частотой до 50-100кГц и выше;
• измеряет постоянный и переменный ток.
• гальваническая развязка

Недостатки:

• Дорого

Дополнительные ссылки:

Измерительные трансформаторы постоянного тока analogiu.ru/6/6-2-2.html
Катушки Роговского www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/54046
Эффект Холла в википедии: ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла
Датчики Холла robocraft.ru/blog/electronics/594.html
Данилов А. Современные промышленные датчики токаwww.soel.ru/cms/f/?/311512.pdf
Проектирование схем на базе аналогового усилителя HCPL-7851www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2010_04_26.pdf

Заключение

Я поставил перед собой задачу сделать обзорный материал по датчикам, наиболее часто используемым сообществом при разработке различных устройств. Большинство датчиков не вошли в цикл лишь по той причине, что в ближайшем будущем для моих материалов они не понадобятся, но некоторые из них в планах. Обязательно сделаю отдельный материал с датчиками ускорения, угловых скоростей, компасом и примерами, так что следите за новыми статьями!

III. Измерение малых токов.

Предельная чувствительность любого измерителя тока зависит от тока тепловых шумов, который тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление измерителя. Для снижения этого тока до уровня 10-17-10-16А в полосе частот от 0 до 0,1 Гц необходимо применять приборы с внутренним сопротивлением не менее 1011-1012Ом, поэтому магнитоэлектрические гальванометры, гальванометрические компенсаторы, усилители на биполярных транзисторах, относящиеся к сравнительно низкоомным устройствам, не могут использоваться для измерения токов менее 10-10-10-9А.

Для измерения малых постоянных и медленно меняющихся токов применяют пассивные преобразователи тока в напряжение в сочетании с чувствительным измерителем напряжения, имеющим очень высокое входное сопротивление (до 1014-1016Ом) и малый уровень шумов. Максимально должны быть уменьшены также паразитные токи. К пассивным преобразователям относят резистивные, емкостные, логарифмирующие преобразователи.

В резистивных преобразователях тока в напряжение применяют высокоомные резисторы, значение сопротивления которых зависит от протекающего через резистор тока, и изменяется во времени под влиянием температуры, влажности и т.п. Номинальные значения выпускаемых высокоомных резисторов до 1012Ом значительно зависят от приложенного напряжения, температурный коэффициент до 0,25%/ºК и временной дрейф до нескольких процентов в год.

В емкостных преобразователях тока в напряжениеприменяют конденсаторы с высококачественной изоляцией или специальные воздушные конденсаторы. Погрешность преобразования определяется погрешностью измерения емкости конденсатора и изменением емкости в процессе накопления заряда под влиянием медленной поляризации диэлектрика, поэтому емкость конденсатора зависит от частоты измеряемого тока. Для конденсатора характерны те же источники помех по току и напряжению, что и для резистора. Шунтирующее сопротивление конденсатора достигает 1015-1016Ом.

В логарифмирующих преобразователях тока в напряжениеиспользуются элементы с естественной нелинейностью, такие как полупроводниковые диоды, транзисторы, электровакуумные диоды, многоэлектродные лампы. Сопротивление логарифмирующего элемента под действием измеряемого тока изменяется таким образом, что абсолютные приращения напряжения при одинаковых относительных изменениях тока остаются неизменными.

Вольт-амперную характеристику логарифмирующего элемента целесообразно представлять в виде полинома первой степени с логарифмическим аргументом и остаточным членом, т.е. в виде

U = a0 + a1lgI + ΔU(I),

Где U– выходное напряжение;I– входной ток;a0,a1– соответственно смещение и крутизна логарифмической характеристики;ΔU(I) – остаточный член, учитывающий отклонение вольт-амперной характеристики от логарифмической зависимости.

Диапазон токов, в котором отклонение от логарифмической зависимости не превышает определенного значения, принято называть динамическим диапазоном логарифмической характеристики логарифмирующего элемента. Погрешность преобразования тока в напряжение с помощью логарифмирующего элемента зависит от факторов, вызывающих отклонение вольт-амперной характеристики от номинальной логарифмической зависимости ().

Методы измерения сверхмалых токов и напряжений

Измерение постоянного тока и напряжения – важнейшая и извечная проблема измерительной техники. Для измерения постоянного тока издавна использовались стрелочные приборы, в основном магнитоэлектрического типа. Они и сейчас выпускаются в больших количествах и находят применение для измерения тока от нескольких мкА до десятков и сотен А с погрешностью в доли-единицы процента. Для увеличения измеряемых токов используются шунты, а для уменьшения те или иные усилители постоянного тока (напряжения), сокращенно называемые УПТ.

Первые УПТ были ламповые, но сейчас они почти не применяются из-за известных недостатков электронных ламп: необходимости глубокого вакуума в иъ колбах и подогревного катода, больших анодных напряжений, высокого температурного и временного дрейфа нуля и т.д. К тому же выпуск ламп малой мощности почти повсеместно прекращен и они повсеместно заменяются транзисторами.

Наименьшим дрейфом нуля обладали усилители типа МДМ – «модуляция-демодуляция». В низ постоянное напряжение или ток периодически прерывалось с помощью модулятора, т.е. преобразовывалось в прямоугольные импульсы – обычно симметричные, называемые меандром. Далее оно усиливалось усилителем переменного тока, принципиально не имеющим дрейфа нуля, и затем с помощью демодулятора (обычно синхронного выпрямителя) превращалось в усиленное постоянное напряжения. Шумы и пульсации его подавлялись инерционным фильтром.

Одним из лучших модуляторов (с позиции усиления малых напряжений) был релейный или вибрационный преобразователь с высококачественными контактными парами, тщательно экранированными от катушки возбуждения. Уже в конце 50-х годов МДМ-усилители с такими модуляторами позволяли надежно усиливать постоянные напряжения с уровнем в доли мкВ. Пожалуй, главный недостаток таких усилителей заключался в большой инерционности – частота модуляции не превышала сотен Гц. Кроме того, недостаточно высокой была и надежность модуляторов.

Одним из направлений в измерении сверхмалых токов стали электрометрические лампы, а также обычные лампы в эдетрометрическом режиме – в нем снижается напряжение накала катода и анодное напряжение, а в качестве входного электрода используется экранирующая сетка. При этом еще в 60-х годах удалось регистрировать токаи порядка 1·10-14 А. С появлением полевых транзисторов с изолированным каналом электрометрические усилители стали строиться на них.

В дальнейшем получили распространение бесконтактные модуляторы на основе согласованной пары интегральных транзисторов с встречным инверсным включением (это приводило к взаимной компенсации малых остаточных напряжений насыщения транзисторов в инверсном включении – когда эмиттер и коллектор менялись назначением). Эти прерыватели так и назывались – интегральные прерыватели. Хотя дрейф нуля таких прерывателей превышал дрейф нуля вибрационных преобразователей, надежность была очень высокой, а частоты модуляции достигали единиц-десятков кГц. Впрочем, проблема получения широкой полосы усилителей была решена и другим путем – применением обводного канала на основе широкополосного усилителя переменного напряжения.

В наши дни построение таких усилителей потеряло актуальность в связи с разработкой интегральных УПТ –операционных усилителей на основе дифференциальных каскадов с интегральными транзисторами, имеющими практически идентичные характеристики в силу их очень близкого друг от друга расположения, практически идентичных характеристик и одинаковой температуры в месте расположения. Даже первые типы таких усилителей прекрасно справлялись с усилением постоянного напряжения с уровнями в доли-единицы мВ. Затем появились измерительные интегральные УПТ, в том числе и со структурой МДМ, которые позволили усиливать напряжения постоянного тока с нановольтовым уровнем. На их основе построены многочисленные измерители малых постоянных напряжений со стрелочными и цифровыми индикаторами.

В тоже время актуальной остается проблема построения измерителей сверхмалых токов, часто именуемых электрометрами. Поразительно, но измерение токов порядка пА было уверенно освоено на основе применения гальванометров (правда очень сложных по конструкции, не допускающих даже слабой тряски и критичных в наладке) и МДМ усилителей первых поколений. Однако переход к измерению фА привел к отказу от этих устройств. Были весьма успешные попытки построить измерители сверхмалых токов на специальных и обычных электронных лампах, а несколько позже фактически на их твердотельных аналогах – МДП-транзисторах с изолированным затвором. Ныне есть ряд типов измерительных операционных усилителей, которые вполне позволяют усиливать токи в единицы и доли фА.

Для измерения малых напряжений широкое применении нащли компенсационные схемы на интегральных операционных усилителях с глубокой последовательной обратной связью – рис. 1. В первой схеме (рис. 1,а) обеспечен выход напряжения, а вот второй (рис. 1,б) выход тока.

Рис. 1. Компенсационные схемы с последовательной отрицательной обратной связью измерения малых напряжений с выходом по напряжению (а) и по току (б)

В обеих схемах в первом приближении, когда усилитель считается идеальным с бесконечным коэффициентом усиления, ΔUx=0 и компенсация соответствует равенству напряжения на компенсационном резисторе Rк входному напряжению ux. Для схемы рис. 1,а это соответствует Uвых=Rд·ux/Rк, а в схеме рис. 1,б, I Iвых=ux/Rк.

Одним из наиболее часто применяемых методов измерения сверхмалых токов является применение 100% отрицательной обратной связи (рис. 2). В этих схемах измеряемый ток Ix компенсируется током резистора R0. При идеальном операционном усилителе обеспечивается нулевое входное сопротивление (на самом деле оно равно R0/(K+1) и стремится к нулю при K→∞). Выходное напряжение этой схемы равно I*R, т.е. схема является почти идеальным преобразователем входного тока в выходное напряжение УПТ.

Рис. 2. Схемы с параллельной отрицательной обратной связью для преобразования малых токов в токи микроамперметра (а) и в постоянное напряжение (б)

Схемы рис. 2 (особенно рис. 2,б) в том или ином варианте используется в большинстве электронных измерителей малых токов, в частности в микроамперметрах, наноамперметрах и пикоамперметрах. Однако им присущ серьезный недостаток – погрешность из-за напряжения смещения нуля УПТ и конечных входных токов УПТ (точнее их разности). Впрочем, он легко устраняется введением компенсирующего это напряжение регулируемого источника напряжения. Он подключается между землей и неинвертирующим входом операционного усилителя. Таким образом, строятся измерители сверхмалых токов компании Kethley, называемые ею амметрами.