Всё началось с того, что один очень важный прибор содержал аналоговый миллиамперметр переменного тока. Индикатор был уже непригоден (в силу почтенного возраста), и что еще хуже, имел нелинейную погрешность, поэтому пытаться калибровать шунт не имело смысла. Вот и решено было сделать цифровой блок, позволяющий измерять переменный ток. Эта схема, несомненно, дешевле аналогового стрелочника, точнее, к тому же позволяет измерять действующее значение тока TRMS.
Схема цифрового миллиамперметра
Принципиальная схема представлена на рисунке. На вход подключен токовый шунт R2 сопротивлением 1 Ом. При протекании по нему тока 250 мА, на шунте возникает падение напряжения 250 мВ. Напряжение с шунта через резистор R1 подается на преобразователь TRMS чип AD736 (IC1). Диоды D1 и D2 защищают вход преобразователя. На выходе преобразователя (вывод 6 микросхемы IC1) включен фильтр нижних частот, состоящий из резистора R3 и конденсатора С6. С этого фильтра измеряемое напряжение поступает на вход измерительного усилителя IC2A. Его петля обратной связи включает резистор R12 и цепь, состоящую из резистора R13 и транзистора Т1. При включенном транзисторе Т1 измерительный усилитель IC2A имеет коэффициент усиления Ku = 100, так что току 50 мА соответствует 5 В на выходе измерительного усилителя – это первый диапазон измерения. Если T1 не проводит, коэффициент усиления измерительного усилителя IC2A Ku = 10. Это означает что при токе, протекающем через шунт R2, равном I = 250 мА, напряжение на выходе IC2A равно 2,5 В.
Здесь использован второй операционный усилитель прецизионной микросхемы сдвоенного ОУ IC2B для автоматического изменения с её помощью диапазона измерения. Усилитель IC2B работает в конфигурации компаратора, в которой он сравнивает напряжение от преобразователя TRMS (инвертирующий вход IC2B через R5) с опорным напряжением на неинвертирующем входе.
Источник опорного напряжения состоит из резистора R10, диода D3, конденсатора С7 и резистивного делителя R8, R9 и R6. Таким образом на входе неинвертирующем IC2B получаем напряжение около 40 мВ. Если напряжение на выходе преобразователя IC1 достигает примерно 50 мВ, выход компаратора IC2B сбрасывается, тем самым отключая транзистор T1 и снижая коэффициент усиления измерительного усилителя IC2A со 100 до 10.
Во избежание непрерывных изменений диапазона измерения, когда измеряемый сигнал имеет значение, близкое к концу первого диапазона измерения, была введена петля гистерезиса путем использования резистора R7 в цепи положительной обратной связи компаратора IC2B. В результате переход с первого диапазона измерения на второй происходит при токе около 50 мА, а со второго на первый при 40 мА.
Транзистор T2, также управляемый компаратором IC2B, обнаруживающим изменение диапазона, включает точку индикатора 7-сегментного светодиодного.
Преобразователь IC1 и измерительный усилитель IC2 требуют симметричного источника питания, поэтому использовался преобразователь напряжения на ICL7660 (IC3), который создает отрицательное напряжение питания. Таким образом, преобразователь можно запитать от общего напряжения 9 В вместе с модулем цифровой индикации LED. Если нужно запитать прибор напряжением 12 В, то в качестве IC3 следует использовать ICL7662, имеющую более высокое входное напряжение. Остальная часть схемы остается неизменной.
Миллиамперметр смонтирован на односторонней печатной плате размерами 46 мм х 44 мм, схема сборки представлена на чертеже. Начинать пайку лучше всего с SMD компонентов. Затем следует припаять перемычки и, наконец, остальные сквозные элементы. В качестве токового шунта можно использовать готовый шунт от старого мультиметра (проверить его сопротивление) или намотать подходящим проводом. Типовой резистор на 1 В не подходит, так как под действием протекающего тока он будет нагреваться и тем самым изменять свое сопротивление.
После сборки измерителя настройте его. Напряжение питания должно быть +9 В, желательно ограничение по току около 50 мА, чтобы ничего не повредить в случае ошибки при сборке. После включения проверьте наличие отрицательного напряжения питания -9 В для подтверждения правильности работы преобразователя напряжения IC3. Затем соедините вход последовательно с мультиметром, работающим в диапазоне «мА переменного тока» — это будет эталон. Для формирования протекания тока лучше всего использовать маломощный трансформатор и резистор, установите ток на значение около 100 мА переменного тока. При таком токе на выходе измерительного усилителя (вывод 6 микросхемы IC2A) должно получиться напряжение около 1 В.
На затворе транзистора Т1 должно быть отрицательное напряжение – резистор R13 не влияет на усиление IC2A. На конденсаторе C6 должно быть около 100 мВ, это означает что преобразователь TRMS (IC1) работает нормально. Значение напряжения на выходе измерительного усилителя IC2A следует скорректировать сопротивлением R11. Уменьшение номинала резистора снижает выходное напряжение. Корректирующий резистор лучше всего припаять параллельно имеющемуся R11 (39 к). Получив правильное напряжение на выходе измерительного усилителя, уменьшите значение измеряемого тока до значения около 11 мА (увеличив резистор). При таком токе на затворе транзистора Т1 должно быть напряжение более 6 В – значит компаратор IC2B работает правильно.
При включенном транзисторе Т1 и 100 мА переменного тока, на выходе измерительного усилителя IC2A должно быть 1 В. Величину этого напряжения следует скорректировать резистором R13 (как и ранее корректировалось значение R11). После получения правильных значений выходного напряжения измерительного усилителя можно подключать цифровую часть с LED дисплеем, любой китайский модуль вольтметра.
Старый аналоговый индикатор имел заявленную точность 2,5%. А цифровая версия, сделанная без особых сложных настроек, имеет погрешность около 1%.
