Modułowe mierniki – jak poznać wersję precyzyjną?

W poprzednim artykule MR109 przedstawione były wyniki testów pięciu modułowych amperomierzy. Okazało się, że spośród trzech modułów dwufunkcyjnych dwa zupełnie nie nadają się do pomiaru małych prądów. W tym artykule podane są bardzo ważne wskazówki, jak poznać dobre, precyzyjne moduły, a jakich modułów należy unikać.

Bezapelacyjnym zwycięzcą testu okazał się moduł numer 3, którego amperomierz ma dwa zakresy 0…999,9mA oraz 1A…3A, przez co rozdzielczość pomiaru wynosi 0,1mA. Okazało się, że badany egzemplarz ma stałe przesunięcie (offset) tylko około 0,1mA. Rzeczywista dokładność ±(0,3% + 2 cyfry) deklarowana przez producenta modułu prawdopodobnie jest większa niż zastosowanego multimetru wzorcowego AN870, który ma deklarowaną dokładność pomiaru prądu stałego ±(0,3% + 3 cyfry). Przyrząd mierzy prawidłowo także prądy większe od nominalnego 3A. Podobnie dobre właściwości mają dwa amperomierze oznaczone w teście numerami 4 i 5. Też mierzą prądy większe od nominalnego 3A. Amperomierz numer 4 ma stały offset +0,2mA, a miernik numer 5 ma offset –0,2mA. Dokładność kalibracji obu też wygląda na bardzo dobrą, znacznie lepszą niż 0,5%.

Zobaczmy, z czego wynikają parametry poszczególnych amperomierzy.

Najtańsze moduły

Najtańsze amperomierze są często realizowane według rysunku 3.

Mierzony prąd stały wywołuje spadek napięcia na wyróżnionej pomarańczowa podkładką niewielkiej rezystancji pomiarowej R_X. To małe napięcie jest wzmacniane i przekazywane do przetwornika analogowo-cyfrowego. Po pierwsze przetworniki ADC wbudowane w procesory (zwykle STM)  mają niezbyt dobre parametry. Jednak największym problemem w takich tanich amperomierzach jest obecność wzmacniacza operacyjnego o znacznym napięciu niezrównoważenia Z reguły jest to LM358, którego napięcie niezrównoważenia może wynosić kilka miliwoltów, a jego dryft cieplny typowo wynosi 7uV/°C. Wbudowany potencjometr pozwala przeprowadzić kalibrację wskazań dla dużych prądów, bliskich maksymalnemu. Ale niestety nie ma możliwości korekcji napięcia niezrównoważenia, co oznacza, że przy małych prądach wskazanie jest przesunięte (offset) w górę lub w dół, zależnie od biegunowości napięcia niezrównoważenia zastosowanego egzemplarza wzmacniacza.

Fotografia 6 pokazuje tylną stronę dwufunkcyjnych modułów, które na fotografii tytułowej są oznaczone 1 i 2.

Czerwone strzałki pokazują wzmacniacze operacyjne, a strzałki niebieskie – potencjometry kalibracji prądu.

Dokładniejsza analiza wskazuje, że nawet przy obecności LM358 producentom takich tanich modułów udaje się uzyskać zaskakująco dobre parametry modułów. Zaskakująco dobre, jak na właściwości użytych podzespołów, ale absolutnie niewystarczające do pomiaru małych prądów, poniżej kilkudziesięciu miliamperów, gdzie da o sobie znać napięcie niezrównoważenia wzmacniacza operacyjnego.

Takie najtańsze, niewarte uwagi moduły można poznać po obecności wzmacniacza operacyjnego, najczęściej właśnie LM358. Najprościej biorąc, obecność wzmacniacza operacyjnego świadczy, że moduł nie będzie dobrze mierzył małych prądów. Dotyczy to i modułów dwufunkcyjnych, i amperomierzy. Oczywiście istnieją wzmacniacze operacyjne o dużej precyzji i znikomym napięciu niezrównoważenia, ale na pewno nie są one stosowane w najtańszych chińskich modułach. We własnym zakresie można wykorzystać takie precyzyjne wzmacniacze operacyjne do współpracy z tanimi chińskimi modułami – stosowny materiał może być przedstawiony na życzenie Czytelników wyrażone na stronie Zapytaj, Odpowiedz.

Chińskie moduły precyzyjne

Jak już było wskazane w czteroodcinkowym artykule Modułowe mierniki napięcia i prądu stałego chińskie mierniki o lepszej dokładności muszą zawierać zewnętrzny przetwornik ADC.

Fotografia 7 pokazuje bezapelacyjnego zwycięzcę testu – dwufunkcyjny moduł numer 3. Wskazany czerwoną strzałką przycisk pozwala wprowadzić korektę wskazań woltomierza, żeby ten uwzględnił spadek napięcia na przewodach. Program w procesorze może uwzględnić spadek napięcia na wewnętrznej rezystancji pomiarowej, bo znana jest jej wartość (często 10mΩ). Nie może automatycznie  uwzględnić spadku napięcia na przewodach, bo ich rezystancja będzie inna w każdym zastosowaniu, zależnie od długości i przekroju użytych kabli. Taką programową korekcję można rozumieć jako podanie informacji o rezystancji przewodów połączeniowych.

Oczywiście taka korekcja nie usunie tego spadku napięcia na przewodach i wewnętrznej rezystancji pomiarowej – przy zwiększeniu prądu napięcie na obciążeniu będzie w niewielkim stopniu maleć. Korekcja wpłynie tylko na wskazania woltomierza, żeby precyzyjnie pokazywał napięcie naprawdę występujące na obciążeniu.

Polskie tłumaczenie opisu korekcji na stronie, gdzie kupowałem ten moduł, jest bardzo niejasne, podobnie jak tłumaczenie niemieckie i angielskie. Jaśniej jest to ujęte w innych sklepach oferujących tę precyzyjną wersję miernika. Na stronie wytwórcy (https://shop59318659.world.taobao.com) także trudno cokolwiek znaleźć, ponieważ wymagana jest rejestracja i logowanie. Osoby zainteresowane szczegółami mogą śmiało do mnie napisać (kontakt@piotr-gorecki.pl).

W tym precyzyjnym dwufunkcyjnym module pracuje zewnętrzny przetwornik ADC typu MCP3421 (ΣΔ, 18-bitowy z wbudowanym dobrym źródłem napięcia odniesienia 15ppm/°C). Jak pokazuje dolna część fotografii 7, przetwornik ten, oznaczony CAA5, umieszczony jest na niewidocznej stronie płytki drukowanej pod wyświetlaczem.

Także w module amperomierza, oznaczonego na fotografii wstępnej numerem 5, pracuje ten sam przetwornik ADC. Fotografia 8 pokazuje, że jest oznaczony CASA. Na płytce jest miejsce na przycisk oraz złącze do programowania procesora STM. W tych modułach nie ma żadnych potencjometrów.

Jeden potencjometr występuje na płytce amperomierza, oznaczonego numerem 5 na fotografii wstępnej. Szczegóły pokazuje fotografia 9.

Fioletowa strzałka wskazuje nieoznaczony chiński przetwornik ADC. Wyżej jest trzykońcówkowy układ scalony oznaczony EA7 – to źródło napięcia odniesienia ’431, co niestety nie wskazuje na wysokie parametry. Pomiędzy tymi układami jest potencjometr, który zapewne służy do kalibracji.

Żadnego potencjometru nie ma w miernikach numer 3 i 4, zawierających przetwornik ADC typu MCP3421. Tam kalibracja musi być przeprowadzana programowo podczas produkcji. Musi być, bo trzeba uwzględnić nie tylko niewielkie rozrzuty wewnętrznego napięcia odniesienia przetwornika MCP3421 (2,048V ±0,05%), ale też przede wszystkim wielokrotnie większy rozrzut wartości rezystora pomiarowego, na którym mierzony jest spadek napięcia.   Być może przeprowadzana jest nie tylko kalibracja czułości (przy dużych prądach), ale też ewentualnie programowa korekcja offsetu przetwornika ADC, jednak nie sposób tego sprawdzić. Offset i dryft termiczny, czyli w praktyce przesunięcie i „pływanie” zera, to jedyny ewentualny problem w takich precyzyjnych miernikach. Oto wyniki kolejnych testów.

Wpływ temperatury

Sprawdziłem tylko lepsze mierniki numer 3, 4, 5. Przy zerowym prądzie tym razem wszystkie wskazania były równe zeru, jak pokazuje górny rząd na fotografii 10.

Aby dokładniej zbadać wpływ temperatury, przepuściłem przez mierniki prąd równy 2mA, co pokazuje środkowy rząd na fotografii 10. Przy tym pomiarze potwierdziło się, że przesunięcie (offset) amperomierza numer 5 wynosi –0,2mA. Natomiast miernik numer 4, który w pomiarach przeprowadzonych poprzedniego dnia miał offset +0,2, tym razem pokazał offset –0,1mA. W pracowni podczas pomiarów temperatura wynosiła około 25 stopni. Po kilkuminutowym dość mocnym podgrzaniu wszystkich modułów suszarką do włosów odnotowałem niewielkie zmiany wskazań – a maksymalne zmiany pokazuje dolny rządek na fotografii 10. Zgodnie z oczekiwaniami okazało się, że mierniki 3 i 4 zawierające przetwornik MCP3421 są znacznie stabilniejsze niż moduł numer 5 z chińskim przetwornikiem ADC, potencjometrem i kostką TL431. W nim maksymalna odchyłka wyniosła 0,3mA, co też jest wartością niewielką. Podczas grzania zaobserwowałem niejednorodność zmian wskazań miernika 5, co najprawdopodobniej wynikało z niejednakowej prędkości nagrzewania poszczególnych elementów tego modułu. W modułach 3 i 4 podczas grzania wskazania zmieniały się tylko o 0,1mA (1,9 w mierniku 3 i 0,0020 w mierniku 4).

Ogólnie biorąc, w tych miernikach wpływ temperatury  na offset jest bardzo niewielki. Nie mierzyłem, jak temperatura wpływa na kalibrację przy dużych prądach. Należy się spodziewać, że także i pod tym względem mierniki z MCP3421 bedą mieć lepsze parametry, bo wbudowane źródło napięcie odniesienia ma typowo współczynnik cieplny 15ppm/°C, natomiast kostka TL431 z miernika numer 5 w najlepszym przypadku będzie mieć współczynnik cieplny 50…100ppm/°C.

Maksymalny prąd

Wiedziałem, że te 3-amperowe mierniki mogą mierzyć większe prądy. Sprawdziłem szczegóły. Miernik numer 4 prawidłowo mierzył prądy do wartości 5,099A, a przy większych po prostu pokazał zero, bez żadnej sygnalizacji przekroczenia zakresu. 3-amperowy miernik numer 3 prawidłowo mierzył prądy do wartości mniej więcej 6,5A (fotografia 11), a przy dalszym zwiększaniu prądu wskazanie nie tylko nie rosło proporcjonalnie, ale wręcz się zmniejszało.

Największe prądy, jakie może zmierzyć też nominalnie 3-amperowy amperomierz numer 5, to mniej więcej 7,5A. Przy większych prądach badany egzemplarz niejako „zatrzymywał się” na wskazaniu 7,4714. Pokazują to dwa ujęcia na fotografii 12.

Z lewej strony widać, że przy prądzie 7,5A wskazanie jest jeszcze prawidłowe, a błąd wynosi niecałe 1,5%. Ujęcie z prawej strony pokazuje, że przy większych prądach wskazanie  „zatrzymuje się” na podanej wcześniej wartości.

Testowane mierniki mogą więc mierzyć prądy dużo większe od nominalnego 3A, jednak wcale nie znaczy to, że można je bez zastanowienia wykorzystywać w takich warunkach. Szczegóły dalej w artykule, a na razie inna ważna kwestia.

Rezystancje i spadki napięć

Dla konstruktora ważne jest też, jakie są rezystancje i spadki napięć na obwodach obwodu pomiaru prądu. Przy połączonych w szereg obwodach prądowych przepuściłem przez nie prąd 3,00A i dla każdego z omawianych pięciu modułów zmierzyłem dwa napięcia: spadek napięcia bezpośrednio na szeregowym rezystorze pomiarowym – boczniku oraz całkowity spadek napięcia, obejmujący spadki napięć na boczniku, na kilkunastocentymetrowych przewodach oraz na stykach między płytką i przewodami. Wyniki pomiarów zawarte są w tabeli 1.

Także i pod tym względem najgorszy okazał się tani dwufunkcyjny trzycyfrowy miernik numer 1. Wprawdzie zawarty w nim bocznik pomiarowy ma rezystancję tylko 10 miliomów, jednak sumaryczna rezystancja wynosi aż 81 miliomów. Według sprzedawców jest to miernik 10-amperowy, a więc przy prądzie 10A na całkowitej rezystancji wystąpiłoby napięcie 0,81V i wydzieliłoby się aż 8,1W mocy strat cieplnych. Natomiast na samym 10-miliomowym boczniku w postaci pętli z grubego drutu wydzieliłby się 1 wat mocy, co teoretycznie nie powinno być problemem. Jednak jak wskazują fioletowe strzałki na fotografii 6, bocznik ten wlutowany jest na płytce od strony wyświetlacza, a więc zamknięty jest w obudowie i ma słabe warunki chłodzenia. To jest błąd – tak jak w innych miernikach powinien on być wlutowany po zewnętrznej stronie płytki – wtedy miałby zdecydowanie lepsze warunki chłodzenia.

Duża całkowita rezystancja 81mΩ  wynika przede wszystkim z zastosowania przewodów, które wprawdzie są grube, ale gruba jest tylko izolacja, a przewody w środku są cienkie. Na fotografii 13 jest to przewód z lewej strony, a dwa pozostałe są znacznie grubszymi żyłami z mierników 2 i 5.

W tabeli zaskoczeniem jest najmniejszy spadek napięcia w niezbyt precyzyjnym module numer 2.

Bocznik prądowy ma rezystancję tylko 4,33 milioma, więc przy prądzie 10A wydzieli się w nim  tylko 0,433W mocy strat cieplnych.

Pod względem strat dobry okazał się też amperomierz numer 5, który ma bocznik 10-miliomowy.

Niestety, znacząco gorsze okazały się najdokładniejsze mierniki o numerach 3 i 4, zawierające przetwornik ADC typu MCP3421. Dla uzyskania dużej dokładności i stabilności zrezygnowano ze wzmacniacza operacyjnego i przetwornik ADC mierzy małe napięcie wprost z bocznika. Wielkość tego napięcia to kompromis między kilkoma czynnikami i ograniczeniami. Stąd znaczna wartość rezystancji bocznika około 24 miliomów.

Wcześniej ustaliliśmy, że moduły te teoretycznie mogłyby mierzyć większe prądy, odpowiednio 6,5A i 5,099A, ale producent podaje, że są to moduły 3-amperowe. Przy prądzie 3A w bocznikach wykonanych z niezbyt grubego drutu, mających rezystancję 24,4 oma, wydzieli się tylko  0,22 wata mocy, a przy prądzie 5A też niezbyt wiele, bo 0,61 wata, co nie jest wartością dużą, grożącą przegrzaniem i samowylutowaniem drucianego bocznika z płytki.

Podczas opisywanych dokładniejszych prób sprawdziłem też przez dotknięcie ręką, na ile grzeją się wbudowane boczniki. Nawet przy większych prądach boczniki w miernikach 2 i 5 grzeją się niewiele. Oczywiście najbardziej grzeją się niewielkie spiralki w miernikach 3 i 4. Praktycznym problemem jest nie tyle ryzyko przegrzania, stopienia cyny i samowylutowania. Nie badałem tego dokładnie, ale zapewne drut oporowy w tych precyzyjnych, ale tanich modułach ma jakiś znaczący współczynnik cieplny, wiec jego nagrzewanie będzie zmieniać rezystancję bocznika, a tym samym wprowadzać dodatkowy błąd.

Podsumowanie

Przeprowadzone testy pokazały, że nawet zakupione za niewiele ponad 10 złotych mierniki numer 1 i 2 mogą być z powodzeniem zastosowane tam, gdzie nie jest wymagana dokładność przy małych prądach. Amperomierz numer 5 zakupiony na potrzeby tego artykułu na Aliexpressie (przez wprowadzeniem podatku) kosztował w sumie niecałe 14 złotych, więc ma znakomity stosunek możliwości do ceny. Mierniki 3 i 4 kosztowały wraz z wysyłką po około 28zł, więc ich stosunek jakości do ceny też można uznać za znakomity (pod koniec roku 2022 cena wzrosła do 40…50zł).

Takie bardziej precyzyjne mierniki znajdą bezpośrednie zastosowanie w wielu urządzeniach. Jednak przedstawione informacje pokazują, że ich parametry są wynikiem pewnych kompromisów. Istnieje możliwość, że poprzez pewne przeróbki można uzyskać jeszcze lepsze parametry. Zaczniemy to omawiać w następnym artykule MR111.

Piotr Górecki