edw_2003_11_s56.pdf

Forum Czytelników

Nanoamperomierz

wzmacniacz

prądu

Każdy z elektroników ma w swoim warszta-

cie multimetr. Urządzenie to w zależności od

wersji zapewnia więcej lub mniej zakresów

pomiarowych. Podczas pracy i tak z nie-

których korzystamy sporadycznie, mimo to

bez multimetru ani rusz. Co jednak, gdy

chcemy dokonać pomiaru w takim zakresie,

jakiego nasz miernik nie posiada? Przykład

z życia: w cyklu o wzmacniaczach operacyj-

nych była poruszana kwestia prądów polary-

zacji wejść. Upieramy się i chcemy zmierzyć

wprost prąd polaryzacji naszego podejrzane-

go wzmacniacza. Zwykły multimetr pozwala

na pomiar na zakresie 2mA. Pomiar prądu

rzędu 50nA jest więc niemożliwy. Albo inny

przypadek: chcemy zmierzyć prąd upływu

diod zielonej i czerwonej i wybrać tę lepszą

do zabezpieczenia wejść układu.

wej EdW w dziale FTP) jest tak naprawdę

połączeniem klasycznego wzmacniacza po-

miarowego (zbudowanego z 3 wzmacniaczy

operacyjnych) z logiką sterującą. Obwody

wejściowe zabezpieczone zostały przed zasi-

leniem niedopuszczalnymi napięciami. Fakt

ten warto zauważyć przy konstruowaniu

przystawki pracującej w różnych warunkach.

Mamy także możliwość podłączenia dowol-

nego napięcia referencyjnego, względem

którego odnoszone będzie wzmocnione na-

pięcie z wejścia. Pozwoliło to na zasilenie

całego układu z pojedynczego źródła zasila-

nia. Należy jeszcze wspomnieć o wyprowa-

dzonych liniach do korekcji wewnętrznego

napięcia niezrównoważenia wewnętrznych

wzmacniaczy. Jednak najistotniejszą zaletą

układu jest cyfrowe wybieranie wzmocnienia

układu. Koniec z przełączaniem rezystorów

w obwodzie sprzężenia, jak ma to miejsce

w wielu innych wzmacniaczach pomiaro-

wych. Wzmocnienia układu zostały na stałe

ustalone z dużą precyzją i wynoszą

1,10,100,1000. Sterowanie układu odbywa

się poprzez podanie sygnałów na wejścia A1,

A0. Wejścia te połączone są zukładem steru-

jącym. W roli tej pracuje licznik binarny

4022. Jego cykl skrócony został do 4. Impul-

sy zegarowe podawane są µswitcha, którym

sekwencyjnie wybieramy wzmocnienie. Dio-

dy LED informują o wybranym wzmocnie-

niu, a w zasadzie mnożniku wskazań współ-

pracującego multimetru. Na diodach D6...D9

zbudowany został prosty koder 4 linie logicz-

ne na 2 linie zakodowane binarnie. Ważną ro-

lę pełnią dodatkowe wzmacniacze operacyj-

ne. Układ U4 generuje sztuczną masę. War-

tość tego napięcia to połowa napięcia zasila-

nia. Do sztucznej masy podciągnięte jest

wejście układu U1 przez R14, tak aby praco-

wało w dopuszczalnym dla siebie zakresie

napięć (margines ±2V względem dodatniej

i ujemnej szyny zasilania). Do sztucznej

Opis układu

Schemat przystawki pokazany jest na rysun-

ku 1 . Urządzenie zostało tak pomyślane, aby

pracowało jako przystawka do klasycznego

multimetru nastawionego na pomiar prądu.

Nasz nanoamperomierz wymusza na wyjściu

przepływ prądu przepływającego przez jego

wejście, tyle że wzmocnionego 10, 100 lub

1000 razy. Pomiaru nadal dokonujemy na

najczulszym zakresie prądowym, z tą uwagą,

że wskazania odpowiednio wymnażamy. Za-

letą tego rozwiązania jest praca bez przekła-

dania przewodów pomiarowych. Mierząc po-

wiedzmy średni prąd, korzystamy wprost

z multimetru, dokonując pomiaru nanoampe-

rów wykorzystujemy przystawkę, ale nadal

multimetr pracuje jako miliamperomierz.

Pomiar prądu dokonywany jest w kla-

syczny sposób, informację o przepływają-

cym prądzie uzyskujemy jako spadek napię-

cia na rezystorze pomiarowym. Rezystor ten

musi mieć dobre parametry, minimum to re-

zystor metalizowany o tolerancji 1%, lub jak

w modelu rezystor drutowy. Napięcie odkła-

dające się na rezystorze podane jest na wej-

ście układu wzmacniacza pomiarowego. Ten

dosyć egzotyczny układ PGA204 (jego nota

aplikacyjna znajduje się na stronie interneto-

Rys. 1 Schemat ideowy

Elektronika dla Wszystkich

Forum Czytelników

masy podłączona jest też końcówka REF

układu PGA204. Efektem tego jest przesu-

nięcie sygnału wynikowego na poziom

sztucznej masy. Konieczne było zastosowa-

nie wzmacniacza operacyjnego, gdyż wyma-

gana jest jak najmniejsza impedancja takiego

napięcia referencyjnego (przesuwającego).

Zadaniem wzmacniacza U3 jest wyjściowa

konwersja napięcie/prąd, tak aby spełnić za-

łożenia projektu, uzyskać wzmacniacz prądu.

Jako U3 zastosowany został precyzyjny

wzmacniacz operacyjny OP07. Myślę, że nie

miałoby sensu stosowanie precyzyjnego

układu jakim jest PGA204 w parze z pierw-

szym lepszym (czytaj o kiepskich parame-

trach) wzmacniaczem. Współczynnik kon-

wersji U/I zależy od wartości rezystora R5.

Dla zakładanych wzmocnień 1,10,100,100

R5 powinien mieć wartość 1kΩ. Można

przeprowadzić eksperymenty i zwięk-

szyć/zmniejszyć 10-krotne jego wartość,

zmieniając w tym samym stosunku wzmoc-

nienie całego urządzenia. Dla R5=100Ω uzy-

skamy maksymalne wzmocnienie przystawki

aż 10000 razy! Niestety to tylko teoria, przy

tak wielkim wzmocnieniu dadzą znać o sobie

fizyczne ograniczenia układu i może okazać

się, że to, co mierzymy, w połowie jest bada-

nym prądem, a w drugiej połowie wzmocnio-

nymi prądami polaryzacji wejść. Na koniec

wspomnę, że R5 także powinien być rezysto-

rem metalizowanym 1%. Pomocniczą funk-

cję pełni dioda LED D1 umieszczona na wyj-

ściu U3. Świeci się, gdy prąd przepływający

przez rezystor wejściowy ma dodatnią pola-

ryzację i, co o wiele ważniejsze, wybrane

wzmocnienie zapewnia mierzalny sygnał

wyjściowy. Jej obecność nie przeszkadza

we właściwym układzie pomiarowym, po-

nieważ równolegle do niej dołączana jest re-

zystancja miliamperomierza. Dioda ta sku-

tecznie informuje, czy warto przełączać prze-

wody miernika, a przy odrobinie wprawy na

podstawie jasności możemy określić w przy-

bliżeniu mierzony prąd.

można by tym potencjometrem wymusić ze-

rowy prąd wyjściowy całej przystawki przy

zwartym wejściu, ale tym sposobem zdecy-

dowanie zwiększymy dryft temperaturowy

U1.

Na koniec pozostaje nam sprawdzić przy-

stawkę w boju. Zasilamy urządzenie napię-

ciem z zakresu 9...15V. Przygotujemy sobie

źródełko niewielkiego prądu np. baterię R6

„paluszka” z szeregowo włączonym rezysto-

rem 1MΩ. Popłynie prąd około 1,5µA. Mie-

rząc ten prąd multimetrem otrzymamy „1”

ew. dwójkę na ostatniej pozycji, to niewiele

jak na pomiar. Teraz baterię z rezystorem do-

łączamy na wejście przystawki, a multimetr

bez przełączania zakresu czy przewodów do

wyjścia. Ustawiamy wzmocnienie *1000. No

i mamy na wyświetlaczu około 1,5mA na za-

kresie 2mA. Pomiar jest dokładny, dobrze

wykorzystujemy ustawiony zakres.

Montaż i uruchomienie

Układ można zmontować na płytce drukowa-

nej pokazanej na rysunku 2 . Zmontowany

układ wymaga tylko jednej kalibracji. Poten-

cjometrem P1 usta-

wiamy napięcie na

wyjściu układu

PGA204 na równi

z napięciem referen-

cyjnym. Teoretycznie

Michał Stach

Od Redakcji: Choć do pomiarów małych

prądów można często z powodzeniem wyko-

rzystać woltomierz cyfrowy o rezystancji we-

wnętrznej 10M Ω , mierząc spadek napięcia

na rezystorze, niemniej opisany układ może

stanowić inspirację do różnych własnych

opracowań.

Rys. 2 Schemat montażowy

Wykaz elementów

R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k Ω 1%

R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k Ω

R2,R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47k Ω

R4,R12,R13 . . . . . . . . . . . . . .100k Ω

R5 . . . . . . . . . . . . . . .1k Ω (100 Ω )*

R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k Ω

R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22k Ω

R8-R11 . . . . . . . . . . . . . . . . .2,2k Ω

P1 . . . . . . . . . . . . . . .470k Ω helitrim

C1,C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF

C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 µ F

C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10nF

C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 µ F

D1 . . . . . . . . . . . . . . . . .LED zielona

D2-D5 . . . . . . . . . . . . .LED czerwona

D6-D9 . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148

U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . .PGA204AP

U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CD4022

U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .OP07

U4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .uA741

J1,J3 . . . . . . . . . . . . . . . .goldpin x2

J4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ARK2

S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . µ switch

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: