edw 2003 11 s56, Literatura techniczna, Czasopisma, Elektronika Dla Wszystkich, edw podf
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Forum Czytelników
Nanoamperomierz
wzmacniacz
prądu
Każdy z elektroników ma w swoim warszta-
cie multimetr. Urządzenie to w zależności od
wersji zapewnia więcej lub mniej zakresów
pomiarowych. Podczas pracy i tak z nie-
których korzystamy sporadycznie, mimo to
bez multimetru ani rusz. Co jednak, gdy
chcemy dokonać pomiaru w takim zakresie,
jakiego nasz miernik nie posiada? Przykład
z życia: w cyklu o wzmacniaczach operacyj-
nych była poruszana kwestia prądów polary-
zacji wejść. Upieramy się i chcemy zmierzyć
wprost prąd polaryzacji naszego podejrzane-
go wzmacniacza. Zwykły multimetr pozwala
na pomiar na zakresie 2mA. Pomiar prądu
rzędu 50nA jest więc niemożliwy. Albo inny
przypadek: chcemy zmierzyć prąd upływu
diod zielonej i czerwonej i wybrać tę lepszą
do zabezpieczenia wejść układu.
wej EdW w dziale FTP) jest tak naprawdę
połączeniem klasycznego wzmacniacza po-
miarowego (zbudowanego z 3 wzmacniaczy
operacyjnych) z logiką sterującą. Obwody
wejściowe zabezpieczone zostały przed zasi-
leniem niedopuszczalnymi napięciami. Fakt
ten warto zauważyć przy konstruowaniu
przystawki pracującej w różnych warunkach.
Mamy także możliwość podłączenia dowol-
nego napięcia referencyjnego, względem
którego odnoszone będzie wzmocnione na-
pięcie z wejścia. Pozwoliło to na zasilenie
całego układu z pojedynczego źródła zasila-
nia. Należy jeszcze wspomnieć o wyprowa-
dzonych liniach do korekcji wewnętrznego
napięcia niezrównoważenia wewnętrznych
wzmacniaczy. Jednak najistotniejszą zaletą
układu jest cyfrowe wybieranie wzmocnienia
układu. Koniec z przełączaniem rezystorów
w obwodzie sprzężenia, jak ma to miejsce
w wielu innych wzmacniaczach pomiaro-
wych. Wzmocnienia układu zostały na stałe
ustalone z dużą precyzją i wynoszą
1,10,100,1000. Sterowanie układu odbywa
się poprzez podanie sygnałów na wejścia A1,
A0. Wejścia te połączone są zukładem steru-
jącym. W roli tej pracuje licznik binarny
4022. Jego cykl skrócony został do 4. Impul-
sy zegarowe podawane są µswitcha, którym
sekwencyjnie wybieramy wzmocnienie. Dio-
dy LED informują o wybranym wzmocnie-
niu, a w zasadzie mnożniku wskazań współ-
pracującego multimetru. Na diodach D6...D9
zbudowany został prosty koder 4 linie logicz-
ne na 2 linie zakodowane binarnie. Ważną ro-
lę pełnią dodatkowe wzmacniacze operacyj-
ne. Układ U4 generuje sztuczną masę. War-
tość tego napięcia to połowa napięcia zasila-
nia. Do sztucznej masy podciągnięte jest
wejście układu U1 przez R14, tak aby praco-
wało w dopuszczalnym dla siebie zakresie
napięć (margines ±2V względem dodatniej
i ujemnej szyny zasilania). Do sztucznej
Opis układu
Schemat przystawki pokazany jest na
rysun-
ku 1
. Urządzenie zostało tak pomyślane, aby
pracowało jako przystawka do klasycznego
multimetru nastawionego na pomiar prądu.
Nasz nanoamperomierz wymusza na wyjściu
przepływ prądu przepływającego przez jego
wejście, tyle że wzmocnionego 10, 100 lub
1000 razy. Pomiaru nadal dokonujemy na
najczulszym zakresie prądowym, z tą uwagą,
że wskazania odpowiednio wymnażamy. Za-
letą tego rozwiązania jest praca bez przekła-
dania przewodów pomiarowych. Mierząc po-
wiedzmy średni prąd, korzystamy wprost
z multimetru, dokonując pomiaru nanoampe-
rów wykorzystujemy przystawkę, ale nadal
multimetr pracuje jako miliamperomierz.
Pomiar prądu dokonywany jest w kla-
syczny sposób, informację o przepływają-
cym prądzie uzyskujemy jako spadek napię-
cia na rezystorze pomiarowym. Rezystor ten
musi mieć dobre parametry, minimum to re-
zystor metalizowany o tolerancji 1%, lub jak
w modelu rezystor drutowy. Napięcie odkła-
dające się na rezystorze podane jest na wej-
ście układu wzmacniacza pomiarowego. Ten
dosyć egzotyczny układ PGA204 (jego nota
aplikacyjna znajduje się na stronie interneto-
Rys. 1 Schemat ideowy
56
Elektronika dla Wszystkich
Forum Czytelników
masy podłączona jest też końcówka REF
układu PGA204. Efektem tego jest przesu-
nięcie sygnału wynikowego na poziom
sztucznej masy. Konieczne było zastosowa-
nie wzmacniacza operacyjnego, gdyż wyma-
gana jest jak najmniejsza impedancja takiego
napięcia referencyjnego (przesuwającego).
Zadaniem wzmacniacza U3 jest wyjściowa
konwersja napięcie/prąd, tak aby spełnić za-
łożenia projektu, uzyskać wzmacniacz prądu.
Jako U3 zastosowany został precyzyjny
wzmacniacz operacyjny OP07. Myślę, że nie
miałoby sensu stosowanie precyzyjnego
układu jakim jest PGA204 w parze z pierw-
szym lepszym (czytaj o kiepskich parame-
trach) wzmacniaczem. Współczynnik kon-
wersji U/I zależy od wartości rezystora R5.
Dla zakładanych wzmocnień 1,10,100,100
R5 powinien mieć wartość 1kΩ. Można
przeprowadzić eksperymenty i zwięk-
szyć/zmniejszyć 10-krotne jego wartość,
zmieniając w tym samym stosunku wzmoc-
nienie całego urządzenia. Dla R5=100Ω uzy-
skamy maksymalne wzmocnienie przystawki
aż 10000 razy! Niestety to tylko teoria, przy
tak wielkim wzmocnieniu dadzą znać o sobie
fizyczne ograniczenia układu i może okazać
się, że to, co mierzymy, w połowie jest bada-
nym prądem, a w drugiej połowie wzmocnio-
nymi prądami polaryzacji wejść. Na koniec
wspomnę, że R5 także powinien być rezysto-
rem metalizowanym 1%. Pomocniczą funk-
cję pełni dioda LED D1 umieszczona na wyj-
ściu U3. Świeci się, gdy prąd przepływający
przez rezystor wejściowy ma dodatnią pola-
ryzację i, co o wiele ważniejsze, wybrane
wzmocnienie zapewnia mierzalny sygnał
wyjściowy. Jej obecność nie przeszkadza
we właściwym układzie pomiarowym, po-
nieważ równolegle do niej dołączana jest re-
zystancja miliamperomierza. Dioda ta sku-
tecznie informuje, czy warto przełączać prze-
wody miernika, a przy odrobinie wprawy na
podstawie jasności możemy określić w przy-
bliżeniu mierzony prąd.
można by tym potencjometrem wymusić ze-
rowy prąd wyjściowy całej przystawki przy
zwartym wejściu, ale tym sposobem zdecy-
dowanie zwiększymy dryft temperaturowy
U1.
Na koniec pozostaje nam sprawdzić przy-
stawkę w boju. Zasilamy urządzenie napię-
ciem z zakresu 9...15V. Przygotujemy sobie
źródełko niewielkiego prądu np. baterię R6
„paluszka” z szeregowo włączonym rezysto-
rem 1MΩ. Popłynie prąd około 1,5µA. Mie-
rząc ten prąd multimetrem otrzymamy „1”
ew. dwójkę na ostatniej pozycji, to niewiele
jak na pomiar. Teraz baterię z rezystorem do-
łączamy na wejście przystawki, a multimetr
bez przełączania zakresu czy przewodów do
wyjścia. Ustawiamy wzmocnienie *1000. No
i mamy na wyświetlaczu około 1,5mA na za-
kresie 2mA. Pomiar jest dokładny, dobrze
wykorzystujemy ustawiony zakres.
Montaż i uruchomienie
Układ można zmontować na płytce drukowa-
nej pokazanej na
rysunku 2
. Zmontowany
układ wymaga tylko jednej kalibracji. Poten-
cjometrem P1 usta-
wiamy napięcie na
wyjściu układu
PGA204 na równi
z napięciem referen-
cyjnym. Teoretycznie
Michał Stach
Od Redakcji:
Choć do pomiarów małych
prądów można często z powodzeniem wyko-
rzystać woltomierz cyfrowy o rezystancji we-
wnętrznej 10M
Ω
, mierząc spadek napięcia
na rezystorze, niemniej opisany układ może
stanowić inspirację do różnych własnych
opracowań.
Rys. 2 Schemat montażowy
Wykaz elementów
R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
Ω
1%
R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
Ω
R2,R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47k
Ω
R4,R12,R13 . . . . . . . . . . . . . .100k
Ω
R5 . . . . . . . . . . . . . . .1k
Ω
(100
Ω
)*
R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
Ω
R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22k
Ω
R8-R11 . . . . . . . . . . . . . . . . .2,2k
Ω
P1 . . . . . . . . . . . . . . .470k
Ω
helitrim
C1,C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF
C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
µ
F
C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10nF
C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
µ
F
D1 . . . . . . . . . . . . . . . . .LED zielona
D2-D5 . . . . . . . . . . . . .LED czerwona
D6-D9 . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . .PGA204AP
U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CD4022
U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .OP07
U4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .uA741
J1,J3 . . . . . . . . . . . . . . . .goldpin x2
J4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ARK2
S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
µ
switch
Elektronika dla Wszystkich
57
[ Pobierz całość w formacie PDF ]