Схемы самодельных цифровых вольтметра и амперметра (СА3162, КР514ИД2). Самодельный стрелочный амперметр Самодельный цифровой амперметр переменного тока
Рассмотрены не сложные схемы цифровых вольтметра и амперметра, построенных без использования микроконтроллеров на микросхемах СА3162, КР514ИД2. Обычно, у хорошего лабораторного блока питания есть встроенные приборы, - вольтметр и амперметр. Вольтметр позволяет точно установить выходное напряжение, а амперметр покажет ток через нагрузку.
В старых лабораторных блоках питания были стрелочные индикаторы, но сейчас должны быть цифровые. Сейчас радиолюбители чаще всего делают такие приборы на основе микроконтроллера или микросхем АЦП вроде КР572ПВ2, КР572ПВ5.
Микросхема СА3162Е
Но существуют и другие микросхемы аналогичного действия. Например, есть микросхема СА3162Е, которая предназначена для создания измерителя аналоговой величины с отображением результата на трехразрядном цифровом индикаторе.
Микросхема СА3162Е представляет собой АЦП с максимальным входным напряжением 999 mV (при этом показания «999») и логической схемой, которая выдает сведения о результате измерения в виде трех поочередно меняющихся двоично-десятичных четырехразрядных кодов на параллельном выходе и трех выходах для опроса разрядов схемы динамической индикации.
Чтобы получить законченный прибор нужно добавить дешифратор для работы на семисегментный индикатор и сборку из трех семисегментных индикаторов, включенных в матрицу для динамической индикации, а так же, трех управляющих ключей.
Тип индикаторов может быть любым, -светодиодные, люминесцентные, газоразрядные, жидкокристаллические, все зависит от схемы выходного узла на дешифраторе и ключах. Здесь используется светодиодная индикация на табло из трех семисегментных индикаторов с общими анодами.
Индикаторые включены по схеме динамической матрицы, то есть, все их сегментные (катодные) выводы включены параллельно. А для опроса, то есть, последовательного переключения, используются общие анодные выводы.
Принципиальная схема вольтметра
Теперь ближе к схеме. На рисунке 1 показана схема вольтметра, измеряющего напряжение от 0 до 100V (0...99,9V). Измеряемое напряжение поступает на выводы 11-10 (вход) микросхемы D1 через делитель на резисторах R1-R3.
Конденсатор СЗ исключает влияние помех на результат измерения. Резистором R4 устанавливают показания прибора на ноль, при отсутствии входного напряжения А резистором R5 выставляют предел измерения так чтобы результат измерения соответствовал реальному, то есть, можно сказать, им калибруют прибор.
Рис. 1. Принципиальная схема цифрового вольтметра до 100В на микросхемах СА3162, КР514ИД2.
Теперь о выходах микросхемы. Логическая часть СА3162Е построена по логике ТТЛ, а выходы еще и с открытыми коллекторами. На выходах «1-2-4-8» формируется двоичнодесятичный код, который периодически сменяется, обеспечивая последовательную передачу данных о трех разрядах результата измерения.
Если используется дешифратор ТТЛ, как, например, КР514ИД2, то его входы непосредственно подключаются к данным входам D1. Если же будет применен дешифратор логики КМОП или МОП, то его входы будет необходимо подтянуть к плюсу при помощи резисторов. Это нужно будет сделать, например, если вместо КР514ИД2 будет использован дешифратор К176ИД2 или CD4056.
Выходы дешифратора D2 через токоограничивающие резисторы R7-R13 подключены к сегментным выводам светодиодных индикаторов Н1-НЗ. Одноименные сегментные выводы всех трех индикаторов соединены вместе. Для опроса индикаторов используются транзисторные ключи VT1-VT3, на базы которых подаются команды с выходов Н1-НЗ микросхемы D1.
Эти выводы тоже сделаны по схеме с открытым коллектором. Активный ноль, поэтому используются транзисторы структуры р-п-р.
Принципиальная схема амперметра
Схема амперметра показана на рисунке 2. Схема практически такая же, за исключением входа. Здесь вместо делителя стоит шунт на пятиваттном резисторе R2 сопротивлением 0,1 От. При таком шунте прибор измеряет ток до 10А (0...9.99А). Установка на ноль и калибровка, как и в первой схеме, осуществляется резисторами R4 и R5.
Рис. 2. Принципиальная схема цифрового амперметра до 10А и более на микросхемах СА3162, КР514ИД2.
Выбрав другие делители и шунты можно задать другие пределы измерения, например, 0...9.99V, 0...999mA, 0...999V, 0...99.9А, это зависит от выходных параметров того лабораторного блока питания, в который будут установлены эти индикаторы. Так же, на основе данных схем можно сделать и самостоятельный измерительный прибор для измерения напряжения и тока (настольный мультиметр).
При этом нужно учесть, что даже используя жидкокристаллические индикаторы прибор будет потреблять существенный ток, так как логическая часть СА3162Е построена по ТТЛ-логике. Поэтому, хороший прибор с автономным питанием вряд ли получится. А вот автомобильный вольтметр (рис.4) выйдет неплохой.
Питаются приборы постоянным стабилизированным напряжением 5V. В источнике питания, в который будут они установлены, необходимо предусмотреть наличие такого напряжения при токе не ниже 150mA.
Подключение прибора
На рисунке 3 показана схема подключения измерителей в лабораторном источнике.
Рис. 3. Схема подключения измерителей в лабораторном источнике.
Рис.4. Самодельный автомобильный вольтметр на микросхемах.
Детали
Пожалуй, самое труднодоставаемое - это микросхемы СА3162Е. Из аналогов мне известна только NTE2054. Возможно есть и другие аналоги, о которых мне не известно.
С остальным значительно проще. Как уже сказано, выходную схему можно сделать на любом дешифраторе и соответствующих индикаторах. Например, если индикаторы будут с общим катодом, то нужно КР514ИД2 заменить на КР514ИД1 (цоколевка такая же), а транзисторы VТ1-VТЗ перетащить вниз, подсоединив их коллектора к минусу питания, а эмиттеры к общим катодам индикаторов. Можно использовать дешифраторы КМОП-логики, подтянув их входы к плюсу питания при помощи резисторов.
Налаживание
В общем-то оно совсем несложное. Начнем с вольтметра. Сначала замкнем между собой выводы 10 и 11 D1, и подстройкой R4 выставим нулевые показания. Затем, убираем перемычку, замыкающую выводы 11-10 и подключаем к клеммам «нагрузка» образцовый прибор, например, мультиметр.
Регулируя напряжение на выходе источника, резистором R5 настраиваем калибровку прибора так, чтобы его показания совпадали с показаниями мультиметра. Далее, налаживаем амперметр. Сначала, не подключая нагрузку, регулировкой резистора R5 устанавливаем его показания на ноль. Теперь потребуется постоянный резистор сопротивлением 20 От и мощностью не ниже 5W.
Устанавливаем на блоке питания напряжение 10V и подключаем этот резистор в качестве нагрузки. Подстраиваем R5 так чтобы амперметр показал 0,50 А.
Можно выполнить калибровку и по образцовому амперметру, но мне показалось удобнее с резистором, хотя конечно на качество калибровки очень влияет погрешность сопротивления резистора.
По этой же схеме можно сделать и автомобильный вольтметр. Схема такого прибора показана на рисунке 4. Схема от показанной на рисунке 1 отличается только входом и схемой питания. Этот прибор теперь питается от измеряемого напряжения, то есть, измеряет напряжение, поступающее на него как питающее.
Напряжение от бортовой сети автомобиля через делитель R1-R2-R3 поступает на вход микросхемы D1. Параметры этого делителя такие же как в схеме на рисунке 1, то есть для измерения в пределах 0...99.9V.
Но в автомобиле напряжение редко бывает более 18V (больше 14,5V уже неисправность). И редко опускается ниже 6V, разве только падает до нуля при полном отключении. Поэтому прибор реально работает в интервале 7...16V. Питание 5V формируется из того же источника, с помощью стабилизатора А1.
При работе с различными электронными изделиями возникает потребность измерять режимы или распределение переменных напряжений на отдельных элементах схемы. Обычные мультиметры, включённые в режиме AC, могут фиксировать лишь большие значения этого параметра с высокой степенью погрешности. При необходимости снятия небольших по величине показаний желательно иметь милливольтметр переменного тока, позволяющий производить измерения с точностью до милливольта.
Для того чтобы изготовить цифровой вольтметр своими руками, нужен определённый опыт работы с электронными компонентами, а также умение хорошо управляться с электрическим паяльником. Лишь в этом случае можно быть уверенным в успехе сборочных операций, осуществляемых самостоятельно в домашних условиях.
Вольтметр на основе микропроцессора
Выбор деталей
Перед тем, как сделать вольтметр, специалисты рекомендуют тщательно проработать все предлагаемые в различных источниках варианты. Основное требование при таком отборе – предельная простота схемы и возможность измерять переменные напряжения с точностью до 0,1 Вольта.
Анализ множества схемных решений показал, что для самостоятельного изготовления цифрового вольтметра целесообразнее всего воспользоваться программируемым микропроцессором типа РІС16F676. Тем, кто плохо знаком с техникой перепрограммирования этих чипов, желательно приобретать микросхему с уже готовой прошивкой под самодельный вольтметр.
Особое внимание при закупке деталей следует уделить выбору подходящего индикаторного элемента на светодиодных сегментах (вариант типового стрелочного амперметра в этом случае полностью исключён). При этом предпочтение следует отдать прибору с общим катодом, поскольку число компонентов схемы в этом случае заметно сокращается..
Дополнительная информация. В качестве дискретных комплектующих изделий можно использовать обычные покупные радиоэлементы (резисторы, диоды и конденсаторы).
После приобретения всех необходимых деталей следует перейти к разводке схемы вольтметра (изготовлению его печатной платы).
Подготовка платы
Перед изготовлением печатной платы нужно внимательно изучить схему электронного измерителя, учтя все имеющиеся на ней компоненты и разместив их на удобном для распайки месте.
Важно! При наличии свободных средств можно заказать изготовление такой платы в специализированной мастерской. Качество её исполнения в этом случае будет, несомненно, выше.
После того, как плата готова, нужно «набить» её, то есть разместить на своих местах все электронные компоненты (включая микропроцессор), а затем запаять их низкотемпературным припоем. Тугоплавкие составы в этой ситуации не подойдут, поскольку для их разогрева потребуются высокие температуры. Так как в собираемом устройстве все элементы миниатюрные, то их перегрев крайне нежелателен.
Блок питания (БП)
Для того чтобы будущий вольтметр нормально функционировал, ему потребуется отдельный или встроенный блок питания постоянного тока. Этот модуль собирается по классической схеме и рассчитан на выходное напряжение 5 Вольт. Что касается токовой составляющей этого устройства, определяющей его расчетную мощность, то для питания вольтметра вполне достаточно половины ампера.
Исходя из этих данных, подготавливаем сами (или отдаём для изготовления в специализированную мастерскую) печатную плату под БП.
Обратите внимание! Рациональнее будет сразу подготовить обе платы (для самого вольтметра и для блока питания), не разнося эти процедуры по времени.
При самостоятельном изготовлении это позволит за один раз выполнять сразу несколько однотипных операций, а именно:
- Вырезка из листов стеклотекстолита нужных по размеру заготовок и их зачистка;
- Изготовление фотошаблона для каждой из них с его последующим нанесением;
- Травление этих плат в растворе хлористого железа;
- Набивка их радиодеталями;
- Пайка всех размещённых компонентов.
В случае, когда платы отправляются для изготовления на фирменном оборудовании, их одновременная подготовка также позволит выгадать как по цене, так и по времени.
Сборка и настройка
При сборке вольтметра важно следить за правильностью установки самого микропроцессора (он должен быть уже запрограммирован). Для этого необходимо найти на корпусе маркировку его первой ножки и в соответствии с ней зафиксировать корпус изделия в посадочных отверстиях.
Важно! Лишь после того, как есть полная уверенность в правильности установки самой ответственной детали, можно переходить к её запаиванию («посадке на припой»).
Иногда для установки микросхемы рекомендуется впаивать в плату специальную панельку под неё, существенно упрощающую все рабочие и настроечные процедуры. Однако такой вариант выгоден лишь в том случае, если используемая панелька имеет качественное исполнение и обеспечивает надёжный контакт с ножками микросхемы.
После запайки микропроцессора можно набить и сразу же посадить на припой все остальные элементы электронной схемы. В процессе пайки следует руководствоваться следующими правилами:
- Обязательно использовать активный флюс, способствующий хорошему растеканию жидкого припоя по всей посадочной площадке;
- Стараться не задерживать жало на одном месте слишком долго, что исключает перегрев монтируемой детали;
- По завершении пайки следует обязательно промыть печатную плату спиртом или любым другим растворителем.
В том случае, если при сборке платы не допущено никаких ошибок, схема должна заработать сразу после подключения к ней питания от внешнего источника стабилизированного напряжения 5 Вольт.
В заключение отметим, что собственный блок питания может быть подключен к готовому вольтметру по завершении его настройки и проверки, производимой по стандартной методике.
Видео
Схема бортового автомобильного вольтметра с индикацией на приведена на рисунке ниже:
Прибор представляет собой шестиуровневый линейный индикатор, в интервале от 10 до 15 вольт. DA1, на К142ЕН5Б на выводе 8, выдает напряжение 6 вольт для питания цифровой микросхемы DD1 типа К561ЛН2. Инверторы микросхемы К561ЛН2 служат пороговыми элементами, представляя собой нелинейные усилители напряжения, а резисторы R1 – R7 задают смещение на входах этих элементов. входное напряжение инвертора превысит пороговый уровень, на его выходе появится напряжение низкого уровня, светодиод на выходе соответствующего инвертора будет светиться.
Печатная плата бортового светодиодного вольтметра со схемой расположения деталей на ней, размером 80х45 мм изображена на рисунках ниже:
При налаживании бортового светодиодного вольтметра, вместо аккумулятора подключают лабораторный стабилизированный источник на 10 вольт, установив временно подстроечный резистор, вместо резистора R1. Изменяя сопротивление R1, добиваются момента включения светодиода HL1. Остальные уровни устанавливаются автоматически. При детальной проверке остальных уровней, уточняются сопротивления R2 – R6, соответственно.
В сборке которой поможет кит-набор, ссылка на него будет в конце статьи. Данный амперметр пригодится для различных самоделок, где нужно контролировать ампераж. Корпус радиоконструктора выполнен специально с защелками для установки на щиток или панель, что является несомненным плюсом.
Перед прочтением статьи предлагаю посмотреть видеоролик с подробным процессом сборки и проверкой в работе кит-набора.
Для того, чтобы сделать амперметр своими руками, понадобится:
* Кит-набор
* Паяльник, флюс, припой
* Мультиметр
* Приспособление для пайки "третья рука"
* Крестовая отвертка
* Бокорезы
Шаг первый.
Весь монтаж будет производиться на печатной плате, на которой нанесена маркировка всех компонентов, так что в данном случае инструкция не нужна, само качество изготовления платы на высоком уровне, также она имеет металлизированные отверстия.
Помимо самой платы здесь имеется не так много радиодеталей, таких как, конденсаторы, микросхема и панелька под нее, корпус с красным светофильтром и другие компоненты.
Разобравшись с комплектом кит-набора, переходим непосредственно к сборке.
Шаг второй.
Первым делом на плату устанавливаем резисторы. Для установки резисторов необходимо измерить их номиналы, сделать это можно при помощи мультиметра, цветовой маркировки с справочной таблицей или онлайн-калькулятора. Определив сопротивление каждого резистора, устанавливаем их на свои места, согласно маркировке на плате, с обратной стороны загинаем выводы, чтобы при пайке детали не выпали.
После установки резисторов переходим к конденсаторам, устанавливаем полярные и неполярные конденсаторы, полярные ставим с соблюдением полярности, плюс это длиная ножка, минус-короткая, также минус на плате обозначен заштрихованным полукругом.
Керамические неполярные конденсаторы вставляем согласно цифровой маркировке на их корпусе и на самой плате. Далее вставляем диоды, на плате один их них выделен жирной полоской, которая также нанесена черным на корпусе диода, остальные три все одинаковые и перепутать их не получится, а затем ставим индуктивность.
Шаг третий.
Теперь закрепляем плату в приспособлении для пайки "третья рука" и наносим флюс на контакты, после чего припаиваем их при помощи паяльника, добавляя припой по мере необходимости.
Далее при помощи бокорезов откусываем лишнюю часть выводов, чтобы в дальнейшем они не мешали. При удалении выводов бокорезами будьте аккуратны, так как дорожки на плате держатся не очень крепко и есть возможность их нечаянно оторвать. После этого устанавливаем оставшиеся элементы. Вставляем на плату панельку для установки микросхемы, ориентируясь по ключу, затем два транзистора, на плате изображена маркировка в виде их корпусов. Для калибрования прибора устанавливаем подстроечный резистор, и под подключение входа и выхода вставляем разъемы.
Припаиваем установленные радиодетали с обратной стороны платы паяльником аналогично предыдущему шагу.
Шаг четвертый.
После пайки вставляем семисегментные индикаторы на плату, ориентируясь по точке на их корпусе и на маркировке платы, но перед этим очищаем плату от остатков флюса, для этого отлично подойдет растворитель или бензин "калоша".
Закрепляем плату в "третьей руке" , наносим флюс и припаиваем выводы индикаторов, при этом стараемся не перегревать их.
Удалять выводы на данном этапе не нужно, так как они не мешают.
Вставляем микросхему, ориентируясь по ключу в виде полукруглой выемки на ее корпусе, а также на самой плате.
Отклеиваем защитные пленки с семисегментных индикаторов.
Затем устанавливаем собранную плату в корпус с светофильтром красного цвета, который служит антибликом.
Плату закрепляем в корпусе с помощью четырех винтиков их комплекта, вкручиваем их крестовой отверткой.
Вот и готов кит-набор, теперь его можно проверить в действии.
Шаг пятый.
Чтобы проверить данный радиоконструктор необходимо подсоединить провода к питанию, для этого будет достаточно аккумуляторной батареи типа 18650, а тестируемое устройство подсоединяем в разрыв к входу прибора.
Цифровой амперметр на светодиодах – удобный способ отображения информации, при котором имеет значение не только модуль измеряемой величины (что, кстати, значительно удобнее определять не по отклонению стрелочного индикатора, а по величине столбчатой диаграммы, или при помощи мини-дисплея), но и частоту изменения этого параметра.
Описание схемы
Светодиоды не отличаются большой мощностью, но использовать их в слаботочных электрических цепях допустимо и целесообразно. В качестве примера можно рассмотреть схему получения цифрового амперметра для определения силы тока в аккумуляторной батарее автомобиля, при номинальном диапазоне значений в 40…60 мА.
Вариант внешнего вида амперметра на светодиодах в столбик
Количество использованных светодиодов определит пороговое значение тока, при котором в работу будет включаться один из светодиодов. В качестве операционного усилителя можно использовать LM3915, либо подходящий по параметрам микроконтроллер. На вход будет подаваться напряжение через любой низкоомный резистор.
Удобно отражать результаты измерения в виде столбчатой диаграммы, где весь, практически используемый диапазон тока будет разделяться на несколько сегментов по 5…10 мА. Плюсом LED является то, что в схеме можно использовать элементы разного цвета – красного, зелёного, синего и т.д.
Для работы цифрового амперметра потребуются следующие компоненты:
- Микроконтроллер типа PIC16F686 с АЦП на 16 бит.
- Настраиваемые джамперы для выхода конечного сигнала. Можно, как альтернативу, применить DIP-переключатели, которые используются в качестве электронных шунтов или сигнальных замыканий в обычных электронных цепях.
- Источник питания постоянного тока, который рассчитан на рабочее напряжение от 5 до 15 В (при наличии стабильного напряжения, что контролируется вольтметром, подойдёт и 6 В).
- Контактная плата, где можно разместить до 20 светодиодов типа SMD.
Электрическая схема амперметра на LED источниках Последовательность размещения и монтажа амперметра
Входной сигнал по току (не более 1 А) подаётся от стабилизированного блока питания через шунтирующий резистор, допустимое напряжение на котором не должно быть более 40…50 В. Далее, проходя через операционный усилитель, сигнал поступает на светодиоды. Поскольку значение тока во время прохождения сигнала изменяется, то соответственно будет изменяться и высота столбика. Управляя током нагрузки, можно регулировать высоту диаграммы, получая результат с различной степенью точности .
Монтаж платы с SMD-компонентами, по желанию пользователя, можно размещать либо горизонтально, либо вертикально. Смотровое окошко перед началом тарировки необходимо перекрывать тёмным стеклом (подойдёт фильтр с кратностью 6…10 х от обычной сварочной маски).
Тарировка цифрового амперметра состоит в подборе минимального значения нагрузки по току, при которой светодиод будет светиться. Варьирование настройки производится экспериментально, для чего в схеме предусматривается резистор с небольшим (до 100 мОм) сопротивлением. Погрешность показаний такого амперметра обычно не превышает нескольких процентов.
Вы знали, что можно переделать старый вольтметр в амперметр? Как это сделать — смотрите видео:
Как настраивать регулировочный резистор
Для этого последовательно устанавливают силу тока, которая проходит через определённый светодиод. В качестве контрольного прибора можно использовать обычный тестер. Вольтметр включается в схему перед микроконтроллером, а амперметр – после него. Для исключения влияния случайных пульсаций подключается также сглаживающий конденсатор.
Практическим плюсом изготовления прибора своими руками (светодиодов не должно быть менее четырёх) является устойчивость схемы при значительных изменениях первоначально заданного диапазона силы тока. В отличие от обычных диодов, которые при коротком замыкании выйдут из строя, светодиоды просто не загораются.
Св-диоды как измерители тока в аккумуляторной батарее автомобиля, не только экономят заряд и сохраняют аккумуляторы, но и позволяют более удобным способом считывать показания.
Аналогичным образом можно построить и цифровой вольтметр. В качестве источников света для такого варианта применения подойдут элементы на 12 В, а наличие дополнительного шунта в схеме вольтметра позволит более рационально использовать всю высоту столбчатой диаграммы.
