Простые вольтметры

Радио, 1969 № 11

Одним из самых необходимых измерительных приборов в практике радиолюбителя является вольтметр. Помимо своего основного назначения - измерения напряжений - он может быть использован для измерения косвенными методами тока, сопротивления и для других целей.

Зачастую радиолюбители, особенно начинающие, не имеют возможности приобрести хороший стрелочный вольтметр. В журнале «Радио» и другой литературе не раз публиковались описания авометров, в которых вместо микроамперметров применяются электронно-оптические индикаторы настройки радиоприёмников (лампы 6Е5С, 6Е1П). Подобные измерительные приборы имеют высокое входное сопротивление, удовлетворительную точность, но не могут быть сделаны портативными, так как для их питания необходимы высокие напряжения (до 200-300 В), получаемые от электросети. Кроме этого, работать с такими высокими напряжениями малоопытному радиолюбителю небезопасно. Более простые схемы вольтметров, где индикаторами служат неоновые лампы, предлагались, например, в «Радио», 1967, № 12. Недостатки подобных вольтметров - низкая точность и трудность измерения напряжений ниже 60 в, в то время как при налаживании транзисторной аппаратуры радиолюбителю необходимо измерять низкие напряжения (до 30 в).

Перечисленные выше недостатки отсутствуют у простых вольтметров, где индикаторами напряжения служат обычные миниатюрные лампы накаливания, например применяемые для подсвета шкал радиоприёмников (6,3 В х 0,28 А) или от карманного фонаря (2,5 В х 0,16 а; 3,5 В х 0,28 А). При чётких делениях на шкале и градуировке её по промышленному авометру любого типа такие вольтметры имеют погрешность измерения не более ± 10% в диапазоне температур окружающей среды 10..30° С. Они имеют входное сопротивление порядка 10..20 кОм/В, эквивалентное авометрам, в которых применён микроамперметр с током полного отклонения 50-100 мкА. Так как эти вольтметры, в основном, предназначены для измерения напряжений в транзисторной аппаратуре, диапазон измеряемых напряжений в них выбран от 1 до 30 В. При необходимости верхний предел может быть повышен. Измерять можно как постоянное, так и переменное напряжение низких частот. Источниками питания вольтметров могут служить две батареи КБС-Л-0,50 либо 4-6 элементов типа 373 («Марс»), включённые последовательно. Вариант питания от элементов типа 373 более желателен, особенно, если вольтметры используются часто. Тогда, считая в среднем продолжительность одного измерения 15-20 сек, менять элементы придётся только через несколько тысяч измерений.

Особенности ламп накаливания при использовании их как индикаторов напряжения состоят в том, что у них отсутствует пороговый эффект, то есть определённое напряжение (ток), при котором лампа загорается или гаснет, и лампы потребляют значительный ток (от десятков до сотен мА). Поэтому для применения ламп накаливания в измерительных целях их необходимо присоединить через пороговые устройства и усилители тока, которые заставят лампы включаться (или выключаться) при определённой (пороговой) величине входного тока (напряжения). Такими устройствами в простейшем случае могут быть электромагнитные или электронные реле. В предлагаемых вольтметрах использованы упрощённые транзисторные реле с коллекторной связью. Такие реле просты по устройству, их легко наладить, и они позволяют получить удовлетворительные характеристики вольтметра.

Схема наиболее простого вольтметра на транзисторном реле изображена на рис. 1. Вольтметр работает следующим образом. Когда замкнута кнопка Кн1, включающая питание, а измеряемое напряжение отсутствует или недостаточно для создания определённого порогового тока в цепи базы транзистора Т1 - он закрыт. Транзистор Т2 в это время открыт, так как в цепи его базы протекает ток, зависящий от напряжения, поступающего на базу Т2 с делителя, состоящего из резисторов R6, R7 и сопротивлений участков коллектор - эмиттер транзистора Т1 и база - эмиттер транзистора Т2. В таком состоянии транзисторного реле напряжение между коллектором и эмиттером Т2 невелико. Остальное напряжение источника питания падает на резисторе R8 и лампе Л1. Поэтому последняя будет гореть.

Когда измеряемое напряжение будет таким, что ток базы Т1 достигнет порогового значения, транзистор начнёт открываться, и сопротивление его участка коллектор - эмиттер упадёт. В связи с этим напряжение на базе Т2 и её ток уменьшатся. Транзистор Т2 начнёт закрываться, а напряжение на его коллекторе возрастать.

Коллектор Т2 связан с базой Т1 цепью, состоящей из резистора R5 и конденсатора С1, который заряжается до напряжения на коллекторе Т2. Ток заряда С1 поступает на базу Т1 и складывается с её основным током, вследствие чего Т1 будет все больше открываться, а Т2 - закрываться. Лампа Л1 погаснет, так как ток коллектора Т2 в это время практически отсутствует. Затем конденсатор С1 будет разряжаться через промежутки база - эмиттер транзистора Т1, эмиттер - коллектор транзистора Т2 и резистор R5. Во время разряда полярность напряжения на участке база - эмиттер Т2 (плюс на базе, минус на эмиттере) окажется такой, что Т1 закроется. Тогда Т2 откроется и лампа Л1 вновь вспыхнет. Так как процесс заряд-разряд конденсатора С1 повторяется, лампа Л1 станет мигать.

Лампа Л1 начнёт мигать тогда, когда ток базы Т1 достигнет порогового значения. Этот момент использован в вольтметре для индикации измеряемого напряжения. Чтобы иметь возможность измерять различные напряжения, на входе вольтметра установлен делитель, состоящий из постоянного резистора R1(R2) и переменных резисторов R3 («Отсчёт»), R4 («Калибровка»). Поворачивая движок R3, изменяют напряжение на базе Т1 до тех пор, пока ток базы не достигнет порогового значения, что определяют по началу мигания Л1. При различных измеряемых напряжениях движок R3 устанавливают в разные положения. Отградуировав шкалу, можно отсчитать результаты измерений.

При использовании в качестве R5 резистора с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота оси (группы А) шкала напряжений получается линейной. Для измерений напряжения от 1 до 10 В при входном сопротивлении прибора около 10 кОм/В переменный резистор R3 должен иметь сопротивление 100 ком. Если взять R3 с большим сопротивлением, например 500 кОм, то можно расширить диапазон измерений до 50 В, однако тогда точность отсчёта ухудшится.

Чувствительность вольтметра зависит от сопротивлений резисторов R5 и R7. Она повышается при уменьшении сопротивления R5 и увеличении сопротивления R7. При изменениях окружающей температуры, а также разряде батареи питания чувствительность вольтметра также меняется. Это происходит, главным образом, из-за изменения коэффициентов Вст усиления транзисторов по току (особенно транзистора Т2). При повышении окружающей температуры его коэффициент Вст возрастает, а при понижении - падает. Чтобы исключить погрешность, возникающую по этой причине, перед началом измерений вольтметр калибруют так, как описано ниже. Резистор R8 служит для ограничения тока через лампу Л1. При этом увеличивается её срок службы и понижается потребление тока вольтметром от источника питания. Резистор R6 ограничивает ток базы транзистора Т2, предотвращая выход его из строя при случайном замыкании резистора R7. Включение питания при помощи кнопки лишь на время измерения также способствует увеличению срока службы питающей батареи.

Недостатком вольтметра, собранного по схеме рис. 1, является значительное бесполезное потребление тока от батареи питания, так как лампа Л1 горит при отсутствии измеряемого напряжения и тогда, когда оно меньше порогового, а также некоторое неудобство индикации. Дело в том, что при подходе к порогу срабатывания транзисторного реле мигания Л1 происходят редко и отметить момент их начала трудно. При увеличении напряжения на базе Т1 частота миганий возрастает, а при ещё большем напряжении лампа Л1 гаснет. Этот недостаток устранён в вольтметре, схема которого приведена на рис. 2.

Данный вольтметр отличается от описанного выше наличием усилителя мощности на транзисторе Т3. Транзисторное реле собрано на маломощных транзисторах Т1, Т2,. В исходном состоянии транзистор Т3 закрыт, так как его базовая цепь шунтирована открытым транзистором Т2. В результате лампа Л1 не горит и ток расходуется лишь для поддержания в открытом состоянии транзистора Т2. При измерении напряжения транзистор Т3 открывается импульсами напряжения, поступающими с коллектора Т2. Для увеличения яркости вспышек лампы можно включить конденсатор С2, ёмкостью несколько десятков микрофарад, показанный на рис. 2 пунктиром.

Такой вольтметр потребляет небольшой ток (порядка 10..15 мА). Поэтому питание в нём можно включать не кнопкой, а при помощи тумблера Вкл. Этот вольтметр особенно удобен для индикации повышения напряжения в той или иной цепи. При повышении напряжения против установленного на переменном резисторе R3 «Отсчёт», лампа Л1 начинает мигать тем чаще, тем больше повысилось напряжение.

На рис. 3 показана ещё одна схема вольтметра, отличающаяся от предыдущих более высоким входным сопротивлением (20 кОм/В), более чёткой индикацией, а также меньшими импульсными помехами, возникающими при измерении в описанных ранее вольтметрах вследствие заряда и разряда конденсатора С1. Эти помехи через резистор R3 могут попасть в измеряемую цепь, что может быть нежелательным. В вольтметре, собранном по схеме рис. 3, этого не происходит, так как входной делитель напряжения отделён от конденсатора С2, эмиттерным повторителем на транзисторе Т1. Транзисторы Т2 и Т3 образуют транзисторное реле, схема которого несколько изменена против предыдущих. Лампа Л1 включена в цепь коллектора транзистора Т2, закрытого в отсутствие измеряемого напряжения. Открыт лишь транзистор

Т3, поэтому ток, потребляемый вольтметром, когда измерения не производятся, имеет величину не более 8..10 мА. Вольтметр работает следующим образом.

Измеряемое напряжение создаёт в цепи базы транзистора Т1 ток, который открывает этот транзистор. Открывается также и транзистор Т2, так как его база гальванически связана с эмиттером Т1. Напряжение на коллекторе Т2 понижается. В результате этого уменьшается ток базы транзистора Т3, и он начинает закрываться. Зарядный ток конденсатора С2, проходя по цепи базы Т2, заставляет этот транзистор ещё больше открываться, в результате чего Т3 полностью закрывается. Этот процесс протекает так же, как в вольтметре по схеме рис. 1. Лампа Л1 будет вспыхивать с некоторой частотой, зависящей от применённых деталей и ёмкости конденсатора С2. Порог срабатывания данного вольтметра по току определяется, в основном, режимом транзистора Т3 и сопротивлением резистора R9. Однако он зависит и от тока коллектора Т2, который можно менять в небольших пределах при помощи переменного резистора R8. По мере разряда батареи Б2 ток коллектора Т2 уменьшается, чувствительность вольтметра возрастает, а яркость свечения лампы Л1 уменьшается (последнее происходит также и в вольтметрах, схемы которых даны на рис. 1 и рис. 2). Для устранения всех этих явлений в случае сильного истощения батареи Б2 сопротивление резистора R2 следует уменьшить. Резистор R6 ограничивает ток транзистора Т1 при перегрузке входных цепей, а диод Д1 защищает вольтметр при неправильном включении полюсов измеряемого напряжения. На схеме рис. 3 показан также конденсатор С1, который используется при измерениях переменного напряжения для исключения постоянной составляющей его.

Кроме транзисторов, указанных на схемах рис. 1-3, в вольтметрах вместо МП42 могут быть использованы МП39, МП40, МП41, а вместо П214-П213Б или П216, П217 с любыми буквенными индексами. Коэффициенты Вст усиления транзисторов в схемах рис. 1 и рис. 2 должны быть не менее 20. Чтобы входное сопротивление вольтметра по схеме рис. 3 было не менее 10-15 кОм/в, произведение коэффициентов Вст усиления транзисторов Т1 и Т2 должно быть не менее 2000. Переменные резисторы для отсчёта напряжения устанавливают типа СП-1-А. Остальные резисторы могут быть любых типов с отклонением сопротивлений от указанных на схемах не более чем на ±10%. Электролитические конденсаторы также любых типов с рабочим напряжением не ниже 10 В. Резисторы R8 (рис. 1 и 3), R11 (рис. 2) берут либо переменные проволочные, либо составляют их из нескольких параллельно включённых постоянных резисторов с малыми сопротивлениями.

Детали вольтметров размещают в футляре из любого материала. Размеры футляра зависят, в основном, от типа применяемых батарей питания и радиуса шкалы переменного резистора «Отсчёт». Эту шкалу желательно сделать достаточно крупной. На верхней панели располагают: кнопку или тумблер включения питания, лампу-индикатор, ручку и шкалу переменного резистора «Отсчёт», ручку «Калибровка» и входные зажимы или гнёзда.

Вольтметры, правильно собранные из исправных деталей, начинают работать сразу. Для их налаживания и градуировки достаточно иметь любой заводской авометр, а батарея питания должна быть свежей, не бывшей в эксплуатации.

Вольтметр по схеме рис. 1 регулируют следующим образом. Не подавая на его вход напряжения для измерения, включают питание и, поворачивая движок переменного резистора R7, добиваются того, чтобы транзистор Т2 был открыт, что можно определить по горению лампы Л1. При этом авометр, подключённый к коллектору и эмиттеру Т2, должен показывать напряжение 0,2..0,5 В. Затем измеряют напряжение на лампе Л1. Оно должно быть на 10-20% ниже номинального. В противном случае, меняя сопротивление резистора R8, подбирают режим горения лампы Л1. Далее устанавливают движок переменного резистора R4 примерно в среднее положение и подают на вход вольтметра напряжение 10 В. Лампа Л1 должна начать мигать при крайнем правом (по схеме) положении движка переменного резистора R3. Если этого не происходит, то следует подобрать сопротивление резистора R5 или несколько изменить положение движка а также немного уменьшить (но не увеличить) сопротивление резистора R7. Для градуировки вольтметра следует от источника с напряжением 10-20 В (выпрямителя или батареи) через переменный резистор сопротивлением 1-2 кОм подавать на вход различные напряжения, предварительно измеренные авометром. Поворачивая движок R3 до начала мигания (до первого погасания) Л1, отмечают на шкале положение ручки R3 в это время. Изменять сопротивление резистора R3 следует очень плавно, останавливаясь при первом же погасании лампы Л1. Наиболее удобную частоту мигания лампы можно подобрать, изменяя ёмкость конденсатора С1.

Налаживание заканчивают калибровкой вольтметра. Для этого к его входу присоединяют не бывший в употреблении элемент, срок хранения которого еще не истёк, например типа ФБС-0,25, имеющий э. д. с. порядка 1,6 В. Не изменяя положение движка переменного резистора R4 «Калибровка», поворачивают движок переменного резистора R3 «Отсчёт» до начала мигания лампы Л1 и делают на шкале R3 особую отметку. Проверять калибровку вольтметра необходимо перед каждой серией измерений. Для проверки подключают ко входу вольтметра эталонный элемент (ФБС-0,25 или другой), устанавливают ручку R5 на калибровочную отметку и, если Л1 не будет мигать, добиваются этого, поворачивая ручку R4.

Точно так же налаживают и градуируют вольтметр, собранный по схеме рис. 2. Здесь только переменный резистор R7 регулируют не до зажигания, а до погасания лампы Л1, и отметки на шкале R3 делают при первом зажигании лампы Л1. Оси переменных резисторов R7 в обоих вольтметрах нужно вывести «под шлиц» для возможности коррекции чувствительности приборов при разрядке батарей питания.

Регулировка вольтметра, выполненного по схеме рис. 3, сводится к следующему. Устанавливают максимальное сопротивление переменного резистора R8. Затем на вход вольтметра подают такое напряжение, чтобы лампа Л1 горела непрерывно (то есть транзистор Т1 был открыт). Поворотом движка R8 устанавливают на лампе Л1 напряжение на 10-20% менее номинального. Далее, подбирая резистор R9, добиваются, чтобы лампа Л1 начинала мигать при напряжении на коллекторе Т2, составляющем примерно половину напряжения питания. Изменяя ёмкость конденсатора С2, заставляют лампу Л1 вспыхивать 3-5 раз в секунду. Потом градуируют вольтметр так, как было описано ранее.

Следует иметь в виду, что при подходе к порогу срабатывания ток коллектора транзистора Т2 в данном вольтметре может достигнуть 50..80 мА и на этом транзисторе будет рассеиваться довольно большая мощность. Это может привести к дополнительной погрешности при измерениях. Поэтому в таком вольтметре питание необходимо включать кнопкой Кн1 лишь на время измерения и во время градуировки делать перерывы между отдельными операциями примерно в 1 мин.

Входное сопротивление всех описанных вольтметров может быть значительно увеличено (до 50...100 кОм/В и более), если перед транзистором Т1 включить эмиттерный повторитель, собранный по схеме, показанной на рис. 4.

Перед началом работы с прибором проверяют его калибровку так, как указано выше. Затем, соблюдая полярность, подключают ко входу прибора точки, напряжение между которыми нужно измерить, и поворачивают ручку переменного резистора R3 «Отсчёт» до тех пор, пока лампа Л1 не начнёт мигать. После этого прочитывают на шкале R3 значение напряжения.

Инж. М. ЕРОФЕЕВ