Для начинающих. Что и чем измерять.

Жизнь радиолюбителя без приборов очень неинтересна. Сам по началу мыкался безо всяких приборов до тех пор, пока не приобрёл на свою стипендию, вернее на её меньшую половину, прибор Ц20. И с тех пор и сам делал приборы, и приобретаю их, но без них уже не представляю своей работы.

Измерительных приборов, которые используются в радиотехнике и электронике, очень много, но я расскажу вам только о тех с которыми знаком сам.

Учившиеся в советских школах, наверное помнят измерительные приборы, которые нам демонстрировали на уроках физики. Это были гальванометры вольтметры или амперметры.

Рис. 1. Гальванометр из школьного набора (1936г).

Я застал еще приборы в деревянных корпусах, как на рис. 1, которые позже заменили на более современные в серых металлических корпусах. Но суть-то у всех была одинаковая - это приборы магнито-электрической системы.

Рис. 2. Схема прибора магнито-электрической системы.

Основой является постоянный подковообразный магнит с полюсными наконечниками. В пространстве между ними, на оси, расположена катушка, которая может вращаться. С катушкой неподвижно связана стрелка прибора. При протекании постоянного тока через катушку возникает магнитное поле. которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате катушка поворачивается на угол, пропорциональный протекающему по катушке току.

Такие приборы, гальванометры, могут "почувствовать" очень небольшой ток. Так, цена деления гальванометра на рис. 1 порядка 50 мкА. Но это не предел. У меня есть старинная книга выпуска 1907 года, написанная преподавателем минных классов А. А. Петровским.

Рис. 3.

Вот цитата из нее:

Не забывайте - это в 1907 году! Чувствительность - 1 пикоАмпер!!!

Конечно, мне не приходилось в жизни встречаться с такими высокочувствительными гальванометрами, но гальванометры, хотя и менее чувствительные, использовались в различных измерительных мостах. У меня один из таких гальванометров сохранился.

Рис. 4. Гальванометр от измерительного моста.

Чувствительность этого гальванометра (цена деления шкалы), изготовленного в 1964 году - 650 нА. Шкала прибора - с зеркалом, которое помогало правильно смотреть на нее: стрелка должна была точно закрывать ее изображение в зеркале. На шкале - несколько значков.

Рис. 5.

Такой прибор со стрелкой по середине шкалы может измерять не только силу, но и направление тока, при этом стрелка отклоняется или в одну, или в другую сторону. Но, всё-таки, гальванометры служили скорее для индикации наличия тока, чем для его измерения.

Основой для большинства радиолюбительских (да и не только) приборов служили микроамперметры магнитоэлектрической системы. Обычно их чувствительность составляла 50 или 100 мкА. Вот мой любимый :) микроамперметр.

Рис. 6. Микроамперметр типа М24.

10 штук таких красавцев я купил для радиокружка в чудесном магазине организации МОБРЕС (мобилизация ресурсов). Там продавались б/у приборы и устройства, а также неликвиды. Перед продажей все приборы проходили поверку. Вы видите наклейку в нижнем левом углу корпуса. На ней написано: "прибор № 53455 поверен 23.08.86 г после 23.08.87 г прибором пользоваться запрещено. Поверитель .....(подпись)". Вот так, прибор сделан в 1972 году, а работоспособен после 50-ти лет эксплуатации. Нужно будет поверить его :).

В правом нижнем углу шкалы - знакомые значки.

Рис. 7.

Из этих микроамперметров ребята делали транзисторные вольтметр и милливольтметры НЧ и ВЧ, измеритель параметров транзисторов.

А вот менее чувствительные приборы - миллиамперметры.

Рис. 8. Миллиамперметры

Слева - миллиамперметр производства 1962 года, снятый с какого-то прибора. Справа - миллиамперметр из набора "Электроника Контур 80" на котором я впервые и вышел в эфир.

Как же эти измерительные головки превратить в вольтметр или амперметр? Очень просто: для этого понадобятся только дополнительные резисторы. Но прежде нужно на всякий случай защитить головку от избыточного тока через нее. Для этого понадобятся два кремниевых диода, включенных параллельно друг другу во встречном направлении.

Рис. 9. Защита измерительной головки с помощью диодов.

При токе через миллиамперметр (рис. 8, справа), равному 1 мА кремниевые диоды будут практически закрыты и не будут оказывать влияние на работу прибора. Если прибор рассчитан на бОльший ток (например как на рис. 8 слева), то следует вместо каждого диода включить два диода последовательно.

Рис. 10. Защитные диоды на клеммах прибора.

К диодам я добавил еще керамический конденсатор 100 нФ, для защиты от наводок, которых у меня иногда бывает многовато :).

При увеличении тока один из диодов начинает открываться и часть тока начинает течь через него. Таким образом, при полном открытии, беря бОльшую часть тока на себя, диод предохраняет прибор. Правда, прибор при этом все равно будет зашкаливать, но не сгорит (если вы не оставите его в таком положении надолго).

Теперь проверим прибор. У меня под рукой оказалась пальчиковая батарейка, которой я и воспользовался. Так как сопротивление рамки прибора я не знал, то взял добавочный резистор, который обеспечивает ток через прибор менее 1 мА: 1,5 В : 0,001 А = 1,5 кОм. Я взял сопротивление 2 кОм. В качестве эталонного прибора я использовал мультиметр UT70B.

Рис. 11. Схема поверки миллиамперметра.

Результат меня приятно удивил.

Рис. 12.

Как говориться, тютелька в тютельку! Сделано в СССР! Кстати, тут же проверил микроамперметр (рис. 6). Результат: расчетное сопротивление - 708 Ом, ошибка в показаниях - 1 мкА (1%). Вот и полвека для него прошло без потерь!

Продолжил проверку миллиамперметра. Нужно было найти сопротивление его рамки. Для этого схема немного изменилась:

Рис. 13. Схема измерения сопротивления рамки.

Я замерил мультиметром напряжение на миллиамперметре.

Рис. 14.

А далее - по закону Ома: 0,2549 В : 0,6 мА = 425 Ом

А теперь попробуем сделать из него вольтметр с пределом измерения 5 В. Для этого нужно рассчитать сопротивление добавочного резистора

Рис 15. Схема вольтметра и его калибровке.

Итак, общее сопротивление вольтметра с пределом измерения 5 В и использовании миллиамперметра на 1 мА будет: 5 В : 0,001 А = 5000 Ом. Сопротивление рамки - 425 Ом. Значит сопротивление Rдоб будет равно: Rдоб = 5000 Ом - 425 Ом = 4575 Ом. Чтобы не возиться с подбором резисторов, я возьму вместо постоянного резистора подстроечный 10 кОм. И соберу вот такую схему:

Рис. 16. Схема градуирования вольтметра.

В качестве батареи я взял три соединенных последовательно Li-ion аккумулятора. Переменный резистор R1 можно взять сопротивлением от 1 до 10 кОм. Ну и образцовый мультиметр. А если нет мультиметра? Тогда понадобятся 3 - 4 солевые батарейки любого типа, но новые. По моему опыту, даже батарейки, пролежавшие год, но неиспользованные, имеют напряжение 1,55В, совсем новые 1,62 - 1,64В. Так что можно принять напряжение батарейки равным 1,6 В. Если у вас нет мультиметра. то и переменный резистор R1 не нужен. Просто будем измерять напряжение на одной батарейке, а потом, двух, трех и т.д. батарейках, соединенных последовательно.

Я установил добавочный резистор прямо на плате с защитными диодами.

Рис. 17. Миллиамперметр с добавочным подстроечным резистором.

Вместо батареи подключил блок питания с регулируемым напряжением и, подстраивая подстроечный резистор совместил показания моего вольтметра и мультиметра. Предел измерения моего вольтметра - 5 В. Чтобы было понятно, как считывать показания, эта картинка.

Рис. 18. Воображаемая :) шкала вольтметра.

Рис. 19. Проверка показаний вольтметра.

Как видно на рис. 19 показания практически совпадают. Это говорит и о том, что защитные кремниевые диоды не вносят погрешности.

Таким образом можно сделать и много предельный вольтметр:

Рис. 20. Схема много предельного вольтметра.

Затем я вернулся к схеме 16. Переменный резистор взял с сопротивлением 22 кОм. Питание - два аккумулятора.

Рис. 21.

Вращая ось переменного резистора, установил напряжение 4 В. Все здорово! Получилось! Но радоваться рано: как только я отключил мой вольтметр ....

Рис. 22.

Ого: напряжение подпрыгнуло более чем на 2,5 В! Почему? Все просто - это влияние входного сопротивления моего вольтметра (мультиметр имеет входное сопротивление более 1 МОм, им можно пренебречь).

Рис. 23. К влиянию входного сопротивления вольтметра.

Как видим, сопротивление участка переменного резистора R1 - примерно 18,6 кОм (задачка на закон Ома). Теперь подключим вольтметр с внутренним сопротивлением 5 кОм. Общее сопротивление параллельно включенных резисторов R1 и Rпр будет меньше 5 кОм, что будет более чем в два раза больше, чем 18,6 кОм. Вот поэтому напряжение и "просядет".

Так что мерить напряжение эти вольтметром можно только на участках цепи, имеющих сопротивление по крайней мере в 5 раз меньшее входного сопротивления вольтметра. Входное сопротивление в пересчете на 1 В у нас будет 1 кОм / В. Это мало. Нужно, как минимум, в десять, а лучше в 100 раз больше. Вот мой первый прибор имел входное сопротивление 20 кОм/В.

Рис. 24. Авометр Ц20 - моя голубая мечта :).

А можно ли с измерительной головкой 1 мА получить входное сопротивление 100 кОм/В? Можно, и даже еще больше. Но только при использовании усилителей на биполярных или полевых транзистора. Об этом в следующей статье.

А сейчас о том, почему я все говорю об измерении напряжения и ни слова об измерении тока. Потому, что не люблю я его мерить - есть печальный опыт. Кроме того, вы видели как влияет входное сопротивление прибора на результаты. А ведь при измерении тока прибор включается непосредственно в электрическую степь, а не пристраивается сбоку :) как при измерении напряжения.

Вот, например схема нашего знаменитого конструктора карманных (и не только) приемников Михаила Михайловича Румянцева.

Рис. 25.

Крестиками, которые я обвел красными кружочками, отмечены места, в которых нужно сделать разрыв и подключить туда миллиамперметр. Возьмем, к примеру, первый каскад на транзисторе Т1.

Рис. 26. Измерение тока коллектора транзистора.

Если включить прибор, как на рис. 26 А, то в высокочастотную цепь будет включена не только катушка миллиамперметра, но и соединительные провода. Все это приведет к самовозбуждению и ток увеличится. Гораздо корректнее замерять ток, как показано на рис. 26 Б. В этом случае ВЧ токи заземляются через С2 и самовозбуждение маловероятно. Но хорошо было во времена Румянцева, а как вы устроите разрыв цепи в печатной плате? Будем рэзать?

Нет, не будем. Будем измерять ток косвенным методом: измеряем напряжение на резисторе, включенном в цепь, а затем, зная его сопротивление, вычислим ток. Но и в этом случае не стоит подключать вольтметр так, как на рисунке 26 Г. Опять длинные щупы прибора ..... Лучше всего в эмиттерную цепь включить резистор 100 Ом, зашунтировать его конденсатором, и уж потом на нем напряжение и мерить. А почему 100 Ом? Потому. что так легче считать. Если на резисторе напряжение 1 В, то ток 10 мА, если напряжение 0,5В, то ток 5 мА и т.д. Если ток достаточно велик, то резистор берем 10 Ом или, даже, 1 Ом.

Вы скажете, что так не честно, нужно мерить ток коллектора, а мы меряем ток эмиттера. Да, ток эмиттера = ток коллектора + ток базы. Ток базы более чем в 20 раз (а у современных транзисторов - в 200 раз) меньше тока коллектора. Не будем ловить блох, уважаемые читатели :)

Продолжение следует!

Всем здоровья и успехов!