Mały liniowy zasilacz: Pomiar napięcia i prądu

Oto siódmy artykuł serii pokazującej, jak elektronik dla swej ogromnej satysfakcji może, na bazie scalonego stabilizatora LM317 lub podobnego, zaprojektować i zrealizować niewielki zasilacz liniowy przeznaczony do swojej pracowni. Zajmiemy się kwestiami pomiaru napięcia oraz prądu wyjściowego.

W poprzednich artykułach tej serii podałem wszystkie informacje, potrzebne do zaprojektowania i zrealizowania liniowego zasilacza regulowanego z kostką LM317 i dodatkowymi obwodami ogranicznika. Teraz, zgodnie z zapowiedzią, zajmiemy się kwestią pomiaru prądu i napięcia.

Pomiar napięcia i prądu wyjściowego

W zasilaczu ze stabilizatorem LM317 można dość prosto mierzyć napięcie i prąd wyjściowy. Wiele osób nadal darzy wielką sympatią mierniki wskazówkowe, na przykład takie, jak na fotografii 1.

Można je wykorzystać, tylko jest pewien problem, bo mają skalę najczęściej 0…100, a w zasilaczu maksymalne wartości zapewne będą inne.

Napięcie oczywiście mierzymy na wyjściu zasilacza, natomiast prąd wyjściowy jako spadek napięcia na boczniku. Tym bocznikiem może być rezystancja R_S. Wtedy jednak trzeba pamiętać, że przy zmianie zakresów ogranicznika prądowego (rysunek 2) zmieniać się będą wskazania miernika prądu. Można powiedzieć, że wtedy będzie to miernik pokazujący procentową wartość w stosunku do prądu ograniczania na danym zakresie.

Bocznik amperomierza można włączyć w innym punkcie zasilacza, a amperomierz może być, i zapewne będzie, cyfrowy. Rysunek 3 pokazuje przykłady. Wtedy będziemy mierzyć nie „procenty”, tylko wartość prądu w (mili)amperach. Na rysunku 3 celowo pokazuję dwie niezbyt praktyczne możliwości pomiaru prądu, żeby pokazać pewne istotne szczegóły. Otóż jest oczywiste, że wskazanie amperomierza byłoby wtedy zawyżone o prąd pobierany przez sam stabilizator LM317.

Mniej oczywiste są problemy przy na pozór najprostszym i oczywistym włączeniu amperomierza na wyjściu zasilacza. Otóż wtedy w grę wchodzi kilka kwestii, zwłaszcza gdy zachcemy wykorzystać gotowe moduły mierników cyfrowych.

Na rynku jest mnóstwo podwójnych modułowych mierników napięcia i prądu. Przytłaczająca większość nie nadaje się do naszych celów, bo ma bardzo słabą dokładność przy pomiarze małych prądów.

W zasilaczu należy zastosować naprawdę dobry wskaźnik czterocyfrowy z automatycznie przełączanym zakresem amperomierza, gdzie rozdzielczość na niższym zakresie to 0,1 miliampera. Moduły takie omawiam szerzej w oddzielnym artykule.

Jeden z problemów widoczny jest na rysunku 4, gdzie mamy dwie wersje. Obie niedoskonałe. W obu rezystancja pomiarowa amperomierza jest włączona poza pętlą stabilizacji napięcia.

Nie zaznaczam na tych schematach rezystancji bocznika w amperomierzu, ale ona zawsze tam jest i nie możemy o niej zapomnieć. Spadek napięcia na niej wynosi od kilkudziesięciu do 200 miliwoltów.

Mierzona wartość prądu jest zawsze prawidłowa (słusznie zakładamy, że rezystancja wewnętrzna woltomierza jest duża). Jednak w obu przypadkach wzrost poboru prądu zmniejsza napięcie wyjściowe na rezystancji obciążenia R_O ze względu na nieunikniony spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej (bocznika) amperomierza.

W pierwszej wersji z rysunku 4 woltomierz pokazuje prawidłowo wartość napięcia na obciążeniu, ale to napięcie zmniejsza się trochę ze wzrostem poboru prądu. Natomiast w drugiej konfiguracji, według rysunku 4, woltomierz nie sygnalizuje problemu, bo nie pokazuje prawdziwego napięcia wyjściowego, tylko dobrze stabilizowane napięcie „przed amperomierzem”.

Praktyczny problem w tym, że jeśli chcielibyśmy wykorzystać dwufunkcyjny moduł VA, to z uwagi na jego konstrukcję jesteśmy skazani na tę drugą konfigurację z rysunku 4.

Warto też rozważyć wersję z rysunku 5 z dwufunkcyjnym modułem VA. Zmieniamy miejsce dołączenia potencjometru R_B – dołączamy go „za amperomierzem” i dzięki temu prawidłowo stabilizujemy napięcie na wyjściu. Tak, ale teraz dwufunkcyjny moduł mierzy nie napięcie wyjściowe, tylko nieco większe napięcie „przed amperomierzem”, które będzie wyższe o spadek napięcia na amperomierzu. Prąd jest wtedy mierzony prawidłowo, ale wskazania napięcia są zawyżone o spadek napięcia na rezystancji bocznika amperomierza. W prostszych rozwiązaniach można dopuścić takie wady, jeżeli spadek napięcia na boczniku amperomierza będzie niewielki, porównywalny ze spadkiem napięcia na przewodach dołączonych do wyjścia zasilacza. Przykładowo niektóre moduły 3-amperowych amperomierzy mają wbudowany bocznik o rezystancji 26 miliomów, wiec spadek napięcia na nim przy prądzie 0,5 ampera wyniesie tylko 13 miliwoltów.

Są też sposoby rozwiązania omawianego problemu zawyżania napięcia z rysunku 5, ale na razie mówimy o podstawach. Otóż trzeba mieć świadomość takich kwestii, zwłaszcza przy wykorzystaniu modułów dwufunkcyjnych.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w październikowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 10/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 10/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.