Mierniki modułowe – nietypowe zastosowania

Po omówieniu w poprzednich artykułach budowy i specyficznych cech mierników modułowych, w tym omówione zostaną możliwości nietypowego ich wykorzystania.

Nietypowe zastosowania

Elektronicy chcą wykorzystywać takie „mierniki mikroprocesorowe” w różnych nietypowych zastosowaniach. Ogólnie biorąc, najlepiej zakupić taki model miernika, który będzie miał zakresy napięcia i prądu potrzebne w danym zastosowaniu. Problem w tym, że w przeciwieństwie do modułów z kostkami ICL7106/7, w omawianych miernikach z procesorami nie mamy możliwości zmiany zakresu i zaświecenia innego punktu dziesiętnego – wszystko jest jednoznacznie ustalone w programie. W amperomierzu 10-amperowym moglibyśmy jedynie zmienić R4 na 0,1 oma i w ten sposób uzyskać amperomierz o zakresie 1A, a dokładniej 0…999mA. Nadal jednak zaświecona będzie kropka po pierwszej cyfrze amperomierza – prymitywnym rozwiązaniem byłoby przecięcie ścieżki zaświecającej punkty dziesiętne wyświetlacza prądu. Rysunek 12 pokazuje wyprowadzenia wykorzystanego w omawianym module wyświetlacza FYT-2831BB (z katalogu Ningbo Foryard Optoelectronics).

W wielu przypadkach zamiast podwójnego miernika napięcia i prądu, bardziej celowe może się okazać wykorzystanie dwóch oddzielnych mierników.

Jak wskazały rysunki 2, 5, 6, 7, woltomierz nie uwzględnia spadku napięcia na amperomierzu (chyba, że taka funkcja przewidziana jest w programie, ale niełatwo to sprawdzić, ponieważ spadek ten jest niewielki).

Niemniej można takie mierniki w pewnych granicach modyfikować. Trzeba tylko uwzględnić ich specyfikę, w tym fakt, że mierzą napięcia o jednej biegunowości – dodatnie względem masy. Można to jednak zmienić. Gdyby ktoś chciał omawiany miernik (albo pojedynczy woltomierz bądź amperomierz) wykorzystać do pomiaru napięć i prądów „ujemnych”, może zastosować wzmacniacz operacyjny w konfiguracji odwracającej.

Rysunek 13 pokazuje modyfikację, pozwalającą mierzyć napięcia ujemne względem masy. Stosunek rezystorów należy dobrać, by uzyskać prawidłowe wskazania na wyświetlaczu (co zależy od programu procesora; generalnie nie jest możliwa dowolna zmiana zakresu). Układ nie ma korekcji napięcia niezrównoważenia wzmacniacza operacyjnego, jednak nie powinno to być problemem, bo napięcie to praktycznie nie będzie wzmacniane. W razie potrzeby można zastosować albo wzmacniacz operacyjny precyzyjny, albo pojedynczy z możliwością korekcji offsetu za pomocą zewnętrznego potencjometru.

Analogicznie można zmodyfikować obwód amperomierza, żeby mierzył „ujemne prądy”. Jeżeli jednak chcemy uwzględnić programowy offset mikroprocesora (34mV) wprowadzony w niektórych takich miernikach, powinniśmy wprowadzić taki offset we wzmacniaczu operacyjnym. Układ mógłby wyglądać jak na rysunku 14.

Stosunek rezystorów należy dobrać, by wskazania wyświetlacza były prawidłowe (we wzmacniaczu odwracającym niewiele będzie się różnił od oryginalnego z rysunku 7). Wartość rezystancji R_K należy dobrać, by przy zerowym prądzie napięcie na nóżce procesora wynosiło około 34mV i żeby wskazanie prądu było 0,00.

Jak widać, przeróbka modułu na wersję z rysunku 14 jest w sumie łatwa. Po takiej przeróbce możliwe jest zrealizowanie pomiarów według rysunku 5b. Jak jednak pokazuje rysunek 14 i rysunek 15, masa miernika nadal dołączona jest do czarnych przewodów.

Miernik powinien być zasilany z oddzielnego zasilacza. Nie należy go zasilać napięciem z głównego źródła zasilania, choć zasadniczo jest to możliwe – wystarczy dołączyć cienki czerwony przewód do plusa zasilania, a cienki czarny pozostawić niepodłączony – jednak wtedy miernik będzie też mierzył swój prąd zasilania…

Natomiast dołączenie cienkiego przewodu do minusa zasilacza (do grubego niebieskiego) jest niedopuszczalne, ponieważ oznaczałoby zwarcie rezystora pomiarowego Rs, co w praktyce bardzo mocno zafałszowałoby pomiar. Jedynym sensownym wyjściem jest wykorzystanie oddzielnego zasilacza (lub izolowanej przetwornicy DC/DC) według rysunku 15. Tyle o pomiarze napięć i prądów „ujemnych”.

We wszystkich przypadkach amperomierz mierzy prąd w ujemnej szynie zasilania. Gdyby ktoś koniecznie chciał mierzyć prąd w dodatniej szynie zasilania, może na przykład wykorzystać układ z rysunku 4, ale wtedy potrzebny jest dodatkowy zasilacz dla miernika (może to być też popularna izolowana przetwornica DC/DC), a do pomiaru napięcia trzeba wykorzystać modyfikację z rysunku 13. Innym sposobem pomiaru prądu w dodatniej szynie zasilania jest układ z rysunku 16.

Realizowany jest tu pomiar napięcia na rezystancji R_L, czyli według rysunku 5b, natomiast pomiar prądu dokonywany jest za pomocą dodatkowego bocznika RS1, który współpracuje ze wzmacniaczem operacyjnym, którego wejścia mogą pracować na poziomie dodatniego napięcia zasilania (np. TL071). Napięcie z rezystora R_P, wprost proporcjonalne do prądu obciążenia, podawane jest wprost na nóżkę 7 procesora. Aby uwzględnić programowy offset 34mV, należy zastosować dobrany rezystor R_K. Istnieją też specjalizowane układy scalone do takich pomiarów „high side”.

Omawiane mierniki są na tyle atrakcyjne, że w niektórych zastosowaniach sensowna będzie ich współpraca ze wzmacniaczami różnicowymi – bodaj najprostszy przykład masz na rysunku 17.

Zasady nietypowego wykorzystania i przeróbek takich modułowych mierników są w sumie dość proste. Jeżeli wymagana byłaby zwiększona dokładność, przy wszelkich próbach nietypowego zastosowania warto, a w przypadku amperomierzy koniecznie trzeba, sprawdzić wskazania wyświetlacza w funkcji napięcia na wejściu mikroprocesora, by sprawdzić zakres pracy i ewentualny offset dla napięć bliskich masy. W amperomierzach z wbudowanym bocznikiem prawdopodobnie trzeba też zmierzyć i uwzględnić spadki napięć na przewodach i ścieżkach – zależnie od dołączenia zasilania, mogą one w pewnym stopniu fałszować pomiar. Takie szczegóły dotyczące bardzo dużej dokładności wykraczają jednak poza ramy artykułu. Do typowych zastosowań z powodzeniem wystarczą wersje standardowe.

W następnym artykule oznaczonym MR105 tematem modułowych mierników prądu stałego zajmiemy się niejako od początku. Tylko dużo głębiej omówimy pewne szczegóły.

Piotr Górecki