Mierniki modułowe – informacje ogólne

W ofertach sklepów elektronicznych „od zawsze” dostępne są małe moduły – woltomierze ze wskaźnikami LED i LCD. Znane od wielu lat, popularne nawet dziś moduły zbudowane są w oparciu o znakomite swego czasu kostki ICL7106 i ICL7107. Mają one liczne zalety, ale też wady. W ostatnich latach pojawiło się mnóstwo modułowych mierników, które zbudowane są zupełnie inaczej.

Jedną z istotnych wad modułów z kostkami ICL7106 i ICL7107 jest to, że żaden z dwóch zacisków wejścia pomiarowego nie jest na potencjale masy i w konsekwencji do zasilania takich mierników potrzebne jest oddzielne źródło zasilania. Nowsze moduły zbudowane są zupełnie inaczej. Wprawdzie w niektórych na układach scalonych nie ma oznaczeń, jednak analiza ich budowy i działania wskazuje, że wykorzystano w nich niezbyt skomplikowane mikroprocesory, wyposażone w 10-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy. Niektóre z nich mają wbudowaną automatyczną zmianę zakresów. Ogólnie biorąc, mierniki takie mają jeden z zacisków pomiarowych połączony z masą zasilania, co w wielu zastosowaniach jest bardzo wygodne.

Zapoznajmy się z nimi na przykładzie popularnego, taniego podwójnego miernika, pokazanego na fotografii tytułowej. Wbrew wrażeniu, jakie robi fotografia wstępna, jest on niewielki – ma rozmiary 48 x 28 x 30mm. Rezystancja wejściowa woltomierza wynosi około 100kΩ. Co ciekawe, woltomierz zależnie od wartości mierzonego napięcia automatycznie przełącza się na jeden z dwóch zakresów (0…9,99V oraz 0…99,9V). Amperomierz pracuje na jednym zakresie 0…9,99A z rozdzielczością 10mA. Rezystancja szeregowa bocznika pomiarowego amperomierza wynosi około 0,01 oma, co przy prądzie 10A daje maksymalny spadek napięcia na nim około 0,1V.

Takie modułowe mierniki są bardzo pożyteczne, ale warto poznać ich specyfikę, by z jednej strony w pełni wykorzystać ich właściwości, z drugiej nie spodziewać się po nich więcej, niż należy. Dobre poznanie ich właściwości pozwoli też na wykorzystanie ich w nietypowy sposób.

Typowe zastosowania

Opisywany miernik ma pięć wyprowadzeń, jak pokazuje rysunek 1 i fotografia 1.

Trzy grube: czarny, czerwony i niebieski (lub żółty) oraz dwa cienkie: czarny i czerwony. Między wyprowadzeniami czarnym i niebieskim jest włączony rezystor pomiarowy amperomierza (bocznik) o oporności około 0,01 oma. Koniecznie trzeba wiedzieć, że czarne przewody są ze sobą połączone na płytce – jest to masa układu.

W przeciwieństwie do kostek ICL7106/7, ten moduł nie mierzy napięć ujemnych – tylko dodatnie względem masy. Podobnie obwód amperomierza pokazuje tylko „dodatnie” wartości prądu – płynącego od wyprowadzenia niebieskiego do czarnego.

Podstawowy sposób włączenia miernika w układ pokazany jest na rysunku 2a.

Obwód pomiaru prądu ma być włączony w ujemną szynę zasilania. W tej wersji moduł miernika jest zasilany z oddzielnego zasilacza pomocniczego 4…30V. Jeżeli napięcie głównego źródła zasilania wynosi 4…30V, można je wykorzystać i zrezygnować z dodatkowego zasilacza – rysunek 2b. Cienki czarny przewód może być dołączony (do minusa zasilania), ale można go nie podłączać – masa miernika i tak dołączona jest do grubego czarnego przewodu, czyli do minusa zasilania.

W przypadku włączenia według rysunku 3a lub 3b układ będzie mierzył tylko napięcie, a prąd płynący przez bocznik w „ujemnym kierunku”, nie będzie mierzony – niezależnie od wartości prądu wyświetlacz pokaże 0,00.

Dołączenie według rysunku 4, wymagające oddzielnego zasilacza, da prawidłowy pomiar prądu w dodatniej szynie zasilania, ale niemożliwy będzie pomiar napięcia. Takie sposoby dołączenia nie grożą uszkodzeniem, ale nie pozwalają wykorzystać modułu w pełni.

Należy zauważyć, że moduł może pracować tylko w układzie według rysunku 2. A to oznacza, że woltomierz mierzy całkowite napięcie zasilające, a na obciążeniu R_L występuje napięcie zmniejszone o spadek napięcia na rezystancji bocznika. Ilustruje to rysunek 5a.

W praktyce nie jest to problemem, ponieważ rezystancja bocznika w omawianym mierniku wynosi 0,01 oma, więc nawet przy prądzie 10A spadek napięcia na „amperomierzu” wyniesie tylko 0,1 wolta. Przy prądzie 1A ten spadek wyniesie tylko mało znaczące 10 miliwoltów.

Należy podkreślić, że niemożliwa jest konfiguracja pomiarowa według rysunku 5b, ponieważ dwa wewnętrzne mierniki (w sumie są to woltomierze) mierzą napięcia dodatnie względem masy. Uproszczony schemat modułu pomiarowego pokazany jest na rysunku 6.

Tyle informacji wystarczy do typowych zastosowań.

Reverse engineering…

W Internecie zwykle nie można znaleźć szczegółowych informacji na temat tych mierników. Jednak zbadanie przebiegu ścieżek i istniejących oznaczeń elementów pozwala zrekonstruować schemat. Rysunek 7 pokazuje schemat ideowy miernika z fotografii tytułowej.

Fotografia 2 przedstawia w zbliżeniu płytkę od strony elementów SMD, a fotografia 3 przeciwną stronę płytki.

Napięcie zasilające podawane jest przez cienki czerwony przewód na diodę D1 i dalej na scalony stabilizator U1 o oznaczeniu 7133. Szybkie poszukiwania w Internecie wskazują, że jest to przybliżony odpowiednik dość popularnej kostki Holtek HT7133 o napięciu wyjściowym 3,3V. Maksymalne napięcie zasilania modułu wyznaczone jest przez parametry stabilizatora. O ile według katalogu Holtek HT7133 ma napięcie maksymalne 24V (absolute maximum ratings: 28V), o tyle informacje handlowe o omawianym module wskazują na 30V. Jest to prawda, ponieważ ściślej biorąc, w module pracuje kostka MD7133H produkcji Shanghai Mingda Microtronics, której kluczowe parametry pokazuje rysunek 8.

Testowany egzemplarz miernika osiągał napięcie za stabilizatorem 3,30V przy napięciu zasilania 3,85V, czyli na diodzie i stabilizatorze (LDO) sumaryczny minimalny spadek napięcia to 0,55V.

Dwudziestonóżkowy mikroprocesor U2 obsługuje dwa trzysegmentowe wyświetlacze W1, W2 w sposób multipleksowy. Szczegóły tego dotyczące nie są istotne. W każdym razie prąd segmentów ograniczają dwa poczwórne R-packi (R11, R12) z rezystorami 180-omowymi.

Należy jeszcze raz bardzo wyraźnie podkreślić, że zarówno czarny cienki przewód zasilania, jak też czarny gruby przewód pomiarowy są dołączone do masy układu.

Napięcie podawane na gruby czerwony przewód po przejściu przez dzielnik składający się z dwóch rezystorów i potencjometru podawane jest na nóżkę 19 U2, która jest wejściem mierzonego napięcia.

Niewiele bardziej skomplikowany jest obwód pomiaru prądu. Wejściem pomiarowym prądu jest nóżka 17 procesora. Podawane jest tu napięcie z wyjścia wzmacniacza operacyjnego U3B z kostki LM258 (nieco lepsza wersja LM358). Druga połówka kostki LM258 nie jest wykorzystana („wisi w powietrzu”). Wzmacniacz U3B pracuje w konfiguracji nieodwracającej, a wzmocnienie wyznaczone jest przez R8, R9 i potencjometr montażowy i wynosi około 16,5.

Wzmacniany jest spadek napięcia na rezystorze R4, wprost proporcjonalny do mierzonego prądu. Główną rolą rezystora R1 (1k) najprawdopodobniej jest ochrona wejścia wzmacniacza w przypadku podania tam dużych napięć stałych – w omawianej wersji z wbudowanym rezystorem R4 o wartości 10 miliomów jest to praktycznie niemożliwe, jednak możliwe i prawdopodobne jest w wersjach o większych prądach z zewnętrznym bocznikiem.

Przyrząd jest fabrycznie wyregulowany, dwa miniaturowe potencjometry pozwalają skalibrować zarówno woltomierz, jak i amperomierz.

Intrygującą zagadką jest obecność rezystorów R2, R5. Można byłoby przypuszczać, że przewidziane są one do wersji z zewnętrznym bocznikiem, by podciągały wejście wzmacniacza w przypadku rozłączenia bocznika, co daje wskazanie przekroczenia zakresu (świecą wtedy wszystkie trzy kropki i poziome środkowe segmenty). Ale ich główna rola jest inna… Szczegóły w artykule MR102, gdzie jest też omówiona kwestia rozdzielczości i dokładności.

Piotr Górecki