Modułowe mierniki – amperomierze i mierniki dwufunkcyjne

Po omówieniu w poprzednim artykule woltomierzy, w tym artykule omówimy modułowe  mierniki prądu, czyli amperomierze, a także moduły dwufunkcyjne.

Amperomierze

Amperomierze w sumie są bardzo podobne do woltomierzy. Zamiast dzielnika napięcia zawierają rezystor pomiarowy (bocznik) i działanie polega na pomiarze spadku napięcia na tym rezystorze. Większość amperomierzy jest dużo mniej dokładna od woltomierzy. Problem w tym, że zakres pomiarowy przetwornika ADC wbudowanego w procesor to co najmniej 1V, a na rezystorze pomiarowym R_S spadek napięcia musi być wielokrotnie mniejszy niż 1V. Dlatego w większości amperomierzy znajdziemy wzmacniacz operacyjny, najczęściej według idei z rysunku 26.

A jeżeli w mierniku jest wzmacniacz operacyjny, to dochodzi problem jego napięcia niezrównoważenia, bo przecież jest ono wzmacniane wraz z mierzonym niewielkim spadkiem napięcia na boczniku.

Dlatego przyczyny błędów wskazań amperomierza są dwie: jedna to pogorszona dokładność przetwornika ADC w zakresie najmniejszych napięć, ale większy błąd może powodować zastosowany wzmacniacz operacyjny i zwykle tak właśnie jest. Otóż w torze pomiaru prądu najczęściej pracuje bardzo tani wzmacniacz operacyjny, co powoduje problemy związane z jego znacznym napięciem niezrównoważenia. Często jest to popularna kostka LM358, a niekiedy LM258, czyli odrobinę tylko lepsza wersja LM358. Jednak kluczowy parametr – spodziewana wielkość napięcia niezrównoważenia jest taka sama w obu wersjach: typowo 2mV, maksymalnie 5…7mV, zależnie od producenta. Tak samo duży jest dryft cieplny napięcia niezrównoważenia: typowo 7uV/°C. A przecież przy zakresie 10A, gdy zastosowany jest rezystor pomiarowy (bocznik) 10mΩ, 1mA prądu powoduje na tym boczniku spadek napięcia tylko 10uV (0,01mV). Spadek napięcia 1mV uzyskuje się dopiero przy prądzie 100mA. A napięcie niezrównoważenia zwykle jest większe niż 1mV. Napięcie niezrównoważenia można wprawdzie skompensować, ale w tanich modułach zwykle nie jest to robione, a ponadto jego dryft i tak spowoduje znaczne błędy.

Dla zmniejszenia problemu napięcia niezrównoważenia oraz dla redukcji błędów przy pomiarze wartości bliskich zeru, także w amperomierzach bywa stosowany sposób z dodatkowym rezystorem, wstępnie polaryzującym wejście wzmacniacza operacyjnego. Przykłady na rysunkach 27a, 27b.

Na rysunku 27b widać nie jeden taki rezystor o dużej wartości, tylko dwa (3,3MΩ), sterowane przez piny procesora PC6, PC7. Wydaje się też, że w niektórych miernikach program procesora jest napisany tak, żeby nie tyle skompensować takie błędy, co ukryć je przed użytkownikiem.

Koniecznie trzeba też wiedzieć, że niektóre droższe i dokładniejsze moduły amperomierzy nie zawierają wzmacniacza operacyjnego. Tak jest w amperomierzach z kostką BX5815, które mają płytki jak na fotografii 25. Trudno znaleźć najdokładniejsze 5-cyfrowe amperomierze z kostką MCP3421, też niezawierające wzmacniacza operacyjnego (fotografia 28).

W nich małe napięcie z bocznika mierzone jest bezpośrednio przez zewnętrzny przetwornik ADC, a wbudowany wzmacniacz wstępny (PGA) pracuje przy maksymalnym wzmocnieniu, przez co wymagany spadek napięcia na rezystancji bocznika jest niewielki, rzędu 0,1V lub mniej.

Takie amperomierze mają parametry dużo lepsze od wersji z tanimi wzmacniaczami operacyjnymi.

Moduły dwufunkcyjne

Na rynku jest mnóstwo modułów z podwójnym wyświetlaczem, które monitorują i napięcie, i prąd.

Dostępne są wersje 3-cyfrowe oraz 4-cyfrowe, jak pokazuje fotografia 10. Zasadniczo wersje 4-cyfrowe powinny być lepsze, ale różnie to bywa, bo w niektórych ostatni znak wyświetla jednostkę, jak pokazuje fotografia 29.

W niektórych wykorzystywany jest przetwornik ADC zawarty w procesorze i układ zawiera jeden lub dwa potencjometry korekcyjne – fotografia 30.

W niektórych 4-cyfrowych zawarty jest zewnętrzny przetwornik ADC, wygląda na to, że moduł pokazany na fotografii 31 zawiera wspomniany BX5815.

Ale nie każdy moduł zawierający kilkunastonóżkowy układ scalony  ma precyzyjny zewnętrzny przetwornik ADC – przykłady na fotografii 32, gdzie taką dodatkową kostką jest rejestr 74HC595.

Przytłaczająca większość podwójnych monitorów napięcia i prądu zawiera wzmacniacze operacyjne, a wtedy w grę wchodzi problem ich napięcia niezrównoważenia i to niezależnie od precyzji użytego przetwornika ADC. Właśnie dlatego po wstępnych analizach i testach dwóch posiadanych modułów doszedłem do wniosku: jeżeli chcemy precyzyjnie mierzyć małe prądy, trzeba zrezygnować z na pozór atrakcyjnych dwufunkcyjnych czterocyfrowych mierników.

Po dość skrupulatnym przeglądzie oferty rynkowej wydawało mi się, że nie ma dokładnych dwufunkcyjnych modułów. Stwierdzenie to jest bardzo bliskie prawdy, ale powinno brzmieć: bardzo trudno znaleźć precyzyjne dwufunkcyjne, czterocyfrowe mierniki napięcia i prądu.

Otóż podczas bardzo czasochłonnego zbierania materiałów do tego artykułu natrafiłem na film pokazujący precyzyjny dwufunkcyjny czterocyfrowy moduł:

www.youtube.com/watch?v=
A6VQhDioz_Q

Autor słusznie wskazał na obecność zewnętrznego przetwornika ADC (z PGA), tylko nie wiedział, jaki to układ scalony. Tymczasem oznaczenie CA2P wskazuje na bardzo precyzyjny, bo 18-bitowy MCP3421!

Następnego dnia po tym odkryciu zacząłem poszukiwania ofert sprzedaży takich modułów. Nawet gdy wiedziałem, czego szukam, znalezienie takowych okazało się bardzo trudne.

Niemniej takie moduły są produkowane. Tylna strona tego rodzaju podwójnego modułu pokazana jest na fotografii 33.

Nie widać tu scalonego przetwornika ADC (MCP3421), bo jest on montowany pod wyświetlaczem – fotografia 34.

Nie ma tu też żadnego potencjometru kalibracyjnego. I to może być mylące, bo nie jest to wcale wadą. Amperomierz zapewne jest kalibrowany fabrycznie, a w tym przypadku kalibracja woltomierza to sprawa bardzo intrygująca. Mianowicie na płytce zamontowany jest miniaturowy przycisk, jak wskazuje fotografia 33, służący właśnie do kompensacji wskazań napięcia, a nie prądu. Ale nie do kalibracji przetwornika, tylko do kompensacji spadków napięcia na przewodach.

Chodzi o spadki napięć na przewodach i na rezystorze pomiarowym R_S, co zilustrowane na rysunku 35.

Napięcie na obciążeniu (U_L) jest zawsze trochę niższe niż napięcie zasilające  (U_B). Woltomierz mierzy napięcie między swoją masą (punktem O) i punktem A. Spadek napięcia na rezystancji R_S mógł­by być uwzględniony w programie procesora, bo przecież wiadomo, jaka jest rezystancja R_S i jaki płynie prąd. Nie można natomiast fabrycznie kompensować spadków napięć na przewodach, bo ich rezystancja w poszczególnych zastosowaniach będzie różna. Według opisu na stronie sprzedawcy, kompensację należy przeprowadzać w finalnym układzie pracy, gdy ustalone będą rezystancje połączeń. Przycisk w module umożliwia wejście w tryb kompensacji spadków napięć, a potem kolejne naciśnięcia pozwolą wprowadzić potrzebną korektę.

Podkreślam – tylko bardzo nieliczne moduły mają taką interesującą funkcję. Informacje o chińskich modułach są bardzo skąpe i być może nawet nie wszystkie odmiany modułów o takiej budowie z przyciskiem mają tę funkcję programowej kompensacji. Dostępne są bowiem pokrewne wersje, niektóre bez wlutowanego przycisku kalibracji napięcia, ale z miejscem na płytce na taki przycisk  (fotografia 36) – należałoby sprawdzić, czy oprogramowanie umożliwia taką kompensację. A jedna z wersji, oprócz prądu i napięcia, mierzy też i pokazuje moc (P = U*I), a za pomocą dołączanego przewodem DS18B20 także temperaturę. O szczegółach należałoby się upewnić u sprzedawcy przed zakupem i w razie niezgodności – zwrócić/wymienić model.

W artykułach MR106 i MR107 omówiliśmy najpopularniejsze woltomierze, amperomierze i moduły dwufunkcyjne prądu stałego z wyświetlaczami LED. Oprócz nich dostępne są też inne interesujące moduły. O nich przeczytasz w artykule MR108.

Piotr Górecki