Modułowe mierniki – test amperomierzy

Po przedstawieniu ogólnych informacji o budowie i pomiarach, w tym artykule przedstawiam test pięciu amperomierzy. Test pokazuje, że niektóre, a dokładniej najtańsze wersje mają fatalne parametry, natomiast inne, droższe mają właściwości zaskakująco dobre, wręcz rewelacyjne. Zależy to od budowy wewnętrznej, która też wpływa na cenę.

Modułowe woltomierze sprawdzają się dobrze w większości zastosowań, jednak przeważająca część amperomierzy fatalnie zawodzi przy pomiarze małych prądów. Zawodzi większość, ale nie wszystkie. Na rynku bowiem dominują najtańsze wersje, których konstrukcja decyduje o tym, że wręcz nie mogą być dokładne przy pomiarze małych prądów. Jednak dostępne są też wersje amperomierzy o zaskakująco dobrej dokładności w całym zakresie pomiarowym. Ogromne różnice parametrów różnych modułów pokazuje niniejszy artykuł.

Na potrzeby artykułu przygotowałem pięć modułowych mierników o różnej budowie, które są pokazane na fotografiach. Do testu w szereg połączyłem wszystkie amperomierze, do tego amperomierz wzorcowy w postaci dobrego multimetru, a całość zasiliłem z regulowanego zasilacza przez rezystor szeregowy R_S według rysunku 1.

Nie ulega wątpliwości, że w takim układzie ten sam prąd płynie przez wszystkie amperomierze, więc powinny one mieć jednakowe wskazania. Problem w tym, że testowane mają być moduły, które wymagają zasilania napięciem stałym w zakresie od około 4,5V do około 10V. Przy wyższym napięciu zasilania może dochodzić do przegrzania wbudowanego stabilizatora, co może wprowadzić dodatkowe duże błędy.

Nie wchodząc w szczegóły budowy wewnętrznej (przedstawione w artykułach począwszy od MR105), łatwo można stwierdzić, że w teście według rysunku 1 wszystkie moduły muszą być zasilane z oddzielnych, izolowanych galwanicznie zasilaczy. Jak widać na fotografii tytułowej, wykorzystane były stare zasilacze analogowe, w tym dwa wtyczkowe i jeden trzykanałowy. Prąd do testów pochodził z zasilacza Korad KA3005P, który zapewnia dokładną i łatwą regulację. Zasadniczo rezystancję ograniczającą R_S można byłoby pominąć, ale pozwala ona uzyskać lepszą rozdzielczość i dokładność regulacji prądu, a ponadto jest niezbędna przy pomiarze najmniejszych prądów. Mój układ pomiarowy pokazany jest na rysunku 2.

Na fotografiach i na rysunku 2 należy zwrócić uwagę, że testowane są trzy mierniki dwufunkcyjne, które oznaczone są zielonymi liczbami 1…3. Mierzą one też napięcie zasilacza numer 5 (górne czerwone wskaźniki). Zielonymi numerami 4, 5 oznaczone są dwa amperomierze 5-cyfrowe.

Moduł numer 1 ma wskaźniki 3-cyfrowe i rozdzielczość pomiaru prądu 10mA. Amperomierz w czterocyfrowym  mierniku numer 2 ma rozdzielczość 1mA, natomiast moduł numer 3 ma automatycznie przełączany amperomierz dwuzakresowy  (według opisu na naklejce 0 – 999,9mA – 3,000A), a więc ma rozdzielczość aż 0,1mA! Oba pięciocyfrowe amperomierze też mają rozdzielczość 0,1mA.

Warto dodać, że wzorcowy multimetr AN870 ma przy pomiarach prądu stosunkowo słabą dokładność tylko 0,5% + 3 cyfry (10-krotnie lepszą dokładność ma tylko przy pomiarach napięć stałych).

Fotografia 1 pokazuje wskazania mierników przy prądzie równym zeru. Tylko badany miernik numer 4 pokazuje wtedy na wyświetlaczu prąd 0,2mA. Jest to stałe przesunięcie – błąd offsetu. Błąd jest niewielki, akceptowalny, ale takie wskazanie jest irytujące i chcielibyśmy, by było zerowe przy zerowym prądzie. Mierniki dwufunkcyjne pokazują napięcie zasilacza numer 5 i jak widać, woltomierze są wręcz idealnie ze sobą zgodne (z dokładnością do 10mV).

Duże prądy

Przy dużych prądach, od 0,5A do 5A, amperomierze radzą sobie zaskakująco dobrze! Widać to na fotografii 2.

Pierwszym dużym przyjemnym zaskoczeniem jest to, że wszystkie badane mierniki prawidłowo mierzą prąd o natężeniu 5A. A tylko moduły numer 1 i 2 są 10-amperowe. Natomiast i moduł dwufunkcyjny numer 3, i oba amperomierze mają deklarowane zakresy pomiarowe 3 ampery (0…3,000A).

I te 3-amperowe mierniki mierzą prawidłowo prąd 5A! W pierwszych testach nie sprawdzałem, jak zachowają się przy jeszcze większym prądzie.

Warto też zwrócić uwagę, że czym większy prąd, tym bardziej różnią się wskazania woltomierzy w dwufunkcyjnych miernikach 1, 2, 3. To akurat jest jak najbardziej normalne, ponieważ wskazania „wyższych” (na schemacie) woltomierzy są pomniejszone o sumę spadków napięć na małych rezystancjach pomiarowych i na rezystancjach przewodów pomiarowych we wszystkich „niższych” miernikach. Można byłoby tu wyliczyć rezystancje boczników i przewodów. To też jest interesujący szczegół, który trzeba brać pod uwagę w dokładniejszych zastosowaniach, ale nie ma to większego znaczenia dla głównego wątku tego artykułu.

Ogólnie biorąc, dokładność wskazań przy większych prądach jest znakomita! W tym zakresie prądów wątpliwości może budzić tylko trzycyfrowy miernik numer 1, który przy prądzie 0,5A ma błąd wskazań ponad –13%. Ale już przy prądzie 1A błąd wynosi akceptowalne –6%, a przy prądzie 5A błąd wynosi +1,2%.

Jak widać z fotografii 2, w zakresie dużych prądów z powodzeniem można byłoby zastosować dowolny z testowanych pięciu mierników. Tak, ale w elektronice prądy rzędu 1 ampera i większe należy uznać za bardzo duże. Przy zasilaniu urządzeń elektronicznych często mamy  do czynienia z prądami od kilku do powiedzmy kilkuset miliamperów.

Średnie prądy

Fotografia 3 pokazuje wskazania badanych mierników przy prądach w zakresie 10…200mA. Przy niewielkich prądach zupełnie bezużyteczny okazuje się miernik numer 1. Jak widać z fotografii 3, ma on stałe przesunięcie (offset) o około 40mA. A fotografia 2 pokazuje, że dodatkowo jest źle skalibrowany (za pomocą umieszczonego z tyłu potencjometru), ponieważ przy prądzie 5A przy uwzględnieniu tego stałego offsetu wskazanie wynosiłoby 5,1A. Porównanie wskazań przy różnych prądach wskazuje też na istnienie nieliniowości. Ale najgorsze jest to, że ten egzemplarz ma zerowe wskazania w zakresie prądów od zera do około 40mA! Wynika to przede wszystkim z napięcia niezrównoważenia archaicznego wzmacniacza operacyjnego zastosowanego w obwodzie pomiaru prądu. W tym module jest to LM258, czyli odrobinę lepsza wersja LM358.

Czterocyfrowy miernik numer 2 okazuje się niewiele lepszy. Wprawdzie przy prądach powyżej 20mA ma on niezbyt duże stałe przesunięcie wskazań (offset), nieco ponad 1mA, co byłoby wartością akceptowalną. Niestety przy prądach poniżej 20mA wskazanie wyświetlacza wynosi zero. To nie wygląda na skutek istnienia napięcia niezrównoważenia wzmacniacza (w tym module jest to LM358). Można przypuszczać, że jest to sztuczka w programie procesora, żeby przy zerowym prądzie zawsze pokazywać zerowe wskazanie, niezależnie od biegunowości napięcia niezrównoważenia użytego wzmacniacza operacyjnego.

W każdym razie także czterocyfrowy moduł numer 2 absolutnie nie nadaje się do precyzyjnych zastosowań. Potwierdza to fotografia 4, pokazująca wskazania mierników  przy prądach od 1mA do 5mA.

Niestety, na rynku jest najwięcej takich właśnie mierników, jak moduły numer 1 i 2. I to one są winne powszechnej opinii o niedokładności tego rodzaju mierników.

Jednak dostępne są niewiele droższe, podobne z wyglądu mierniki o dużo lepszej dokładności, także w zakresie małych prądów.  Już fotografie 3 i 4 pokazują, że prawidłowe, a dokładniej biorąc, w pełni akceptowalne wskazania mają tylko mierniki 3, 4 i 5, które mają rozdzielczość 0,1mA i w których błąd pomiaru prądu nie przekracza 0,2mA.

Aby dokładniej zbadać ich parametry, sprawdziłem ich wskazania przy jeszcze mniejszych prądach (0,1mA, 0,2mA i 0,5mA). Wyniki są pokazane na fotografii 5.

Jak widać, te egzemplarze liniowo mierzą prądy już od 0,1mA, tylko mają niewielki stały offset. Najlepiej widać to na amperomierzu – mierniku numer 4: ma on stały offset 0,2mA, a dokładniej +0,2mA. Na pozór lepszy jest drugi amperomierz – miernik numer 5, który przy zerowym prądzie ma zerowe wskazanie. Ale to tylko pozór – ma on tej samej wielkości offset, tylko jest to offset ujemny, równy –0,2mA.

Zdecydowanie najlepszy okazuje się dwufunkcyjny moduł numer 3! Ma on stały offset około +0,1mA, czyli praktycznie taki, jaka jest rozdzielczość wskazań, ale przy zerowym prądzie wskazanie na wyświetlaczu jest równe zeru, a nie równe 0,1mA. To może być szczęśliwy zbieg okoliczności albo wynik procedury mikroprocesora.

W każdym razie dokładność miernika numer 3 jest wręcz imponująca, i to w całym zakresie, a nawet poza zakresem, począwszy od prądów najmniejszych, poniżej 1mA, do prądów powyżej nominalnego 3A. W kolejnym, bardzo ważnym artykule MR110 badamy, na ile te parametry wynikają z budowy wewnętrznej i jakości użytych podzespołów. Taka wiedza pozwoli bowiem dokonać zakupu potrzebnych precyzyjnych wersji.

 Piotr Górecki