Схема. Цифровой вольтметр для лабораторного БП

      Цифровой вольтметр разработан как узел лабораторного блока питания, но он может быть использован и как отдельный прибор для измерения и отображения напряжения в любых устройствах, имеющих общий провод для питания и измеряемого напряжения. Собранный из доступных деталей с минимальным числом дополнительных элементов, он легко может быть повторен даже начинающим радиолюбителем. Малые размеры позволяют встраивать его в уже имеющиеся конструкции, а удобство восприятия с лихвой окупает все затраты на его изготовление.
Схема Цифровой вольтметр для лабораторного БП 1
      Основой измерителя стала специализированная микросхема фирмы MAXIM ICL7107 (отечественный аналог — КР572ПВ2), представляющая собой АЦП с узлом управления светодиодным индикатором на 31/2 разряда с общим анодом [1]. Схема включения несколько отличается от стандартной с двуполярным или батарейным питанием; здесь используется только одно напряжение +5 В, причем источник питания и источник измеряемого напряжения имеют один общий провод. Главное достоинство такого включения — возможность легкой интеграции в практически любые устройства, где необходим контроль напряжения. К недостаткам устройства следует отнести невозможность измерения напряжения отрицательной полярности и ухудшение линейности измерения при входном напряжении, близком к нулю. Но при использовании измерителя в со- ставе блока питания, минимальное выходное напряжение которого выше 2 В, этими недостатками можно пренебречь.

       Схема цифрового вольтметра приведена на рис. 1. Кроме стандартных цепей интегратора (элементы С2, СЗ, R6) и задающего генератора (С5, R5), при однополярном включении микросхемы требуется внешний стабилизатор образцового напряжения Uref, подаваемого на вывод 36 микросхемы DD1. Его функцию выполняет узел на элементах R1, VT1, VT2, создающий стабильное напряжение 0,55…0,6 В; резистор R1 ограничивает ток через стабилизатор на уровне 0,2 мА. Впрочем, образцовое напряжение может быть любым в интервале 0.1…1 В; следует только выбрать соответствующие номиналы резисторов входного делителя R2R3 в соответствии с интервалом допустимых значений входного напряжения. Измеряемое напряжение поступает на входной делитель, элементы которого рассчитывают так, чтобы его максимальное выходное напряжение несколько превышало наибольшее допустимое напряжение на измерительном входе IN HI микросхемы DD1, определяемое как Uref x2 [1] (в авторском варианте, соответственно, 1,2 В).
Схема Цифровой вольтметр для лабораторного БП 2
      Для отображения измеренного значения напряжения использован трехразрядный индикатор HG1. Такой выбор обоснован тем, что интервал измеряемых напряжений превышает 20 В и выход четвертого разряда при этом не используется. Если же входное напряжение не будет превышать 19,9 В, то можно повысить точность измерения, добавив еще один разряд или отказавшись от использования младшего разряда, в котором всегда присутствует некоторая ошибка. Резистор R7 зажигает необходимую децимальную точку во втором разряде индикатора. Цепь VD1R8 способствует снижению потребляемой (в том числе и рассеиваемой корпусом микросхемы DD1) мощности.

      В цепи питания АЦП в авторском варианте вольтметра введен импульсный стабилизатор напряжения 5 В, схема которого показана на рис. 2. Выбранная для него микросхема LM2575T-5.0 фирмы National Semiconductor предназначена для построения импульсных стабилизаторов понижающего типа с минимальным набором дополнительных элементов [2]. Такой выбор обоснован тем, что для питания вольтметра использовано напряжение с выхода диодного моста блока питания (около 30 В), и применение линейного стабилизатора 7805 недопустимо из-за ограничений по максимальному входному напряжению (20 В). При более низких напряжениях допускается применение стабилизатора 7805, но его необходимо установить на теплоотвод, соответствующий рассеиваемой мощности. Устройство потребляет от источника 5 В ток около 80 мА при всех активных сегментах индикатора — на этот ток и надо ориентироваться при расчете рассеиваемой стабилизатором мощности.
Схема Цифровой вольтметр для лабораторного БП 3
       Устройство собрано на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита; индикатор вынесен на переднюю панель устройства (см. фото на рис. 3) и соединен с платой гибким кабелем. Столь малых размеров удалось достичь благодаря использованию компонентов для поверхностного монтажа. Чертеж печатной платы и расположение деталей устройства приведены на рис. 4.

      В случае повторения авторской конструкции сборку и налаживание устройства рекомендуется производить в следующем порядке. Вначале устанавливают на плату детали стабилизатора 5 В и источника 0,6 В и проверяют их работоспособность. Затем устанавливают микросхему АЦП с соответствующими цепями, подключают индикатор и убеждаются в наличии показаний «000» на нем. В случае отсутствия показаний необходимо проверить наличие генерации на выводах 38, 39 и 40 микросхемы DD1, затем подать напряжение 5 В на вывод 37. Если при этом все разряды индикатора зажглись (т. е. на индикаторе должны появиться «888» или «1888» в случае использования четырехразрядного индикатора), то имеет место замыкание или утечка в цепях интегратора (выводы 27—29), узле образцового напряжения (выводы 35, 36) или вывода 32 (обратите внимание, вывод 32 Analog Common никуда не подключен!).

      Добившись нулевых показаний индикатора, подают на вход известное напряжение и резистором R2 устанавливают соответствующие показания на индикаторе. Если этого сделать невозможно, наиболее вероятны несоответствие номиналов резисторов входного делителя или неисправность деталей интегратора СЗ, R6. К конденсатору СЗ предъявляются повышенные требования по качеству диэлектрика, так как от него во многом зависят погрешность преобразования и температурная стабильность показаний.

      Если при калибровке устройства замечена нелинейность преобразования (т. е. на верхнем пределе измеряемого напряжения показания соответствуют истине, а на нижнем заметно занижены или завышены, то вместо резистора R6 следует временно подключить переменный резистор номиналом 100—150 кОм и попытаться им выровнять характеристику преобразователя. Согласно [1], сопротивление этого резистора должно быть равно 47…470 кОм при емкости конденсатора СЗ 0,22 мкФ В авторском варианте наилучшая линейность была достигнута при номинале резистора R6 в 33 кОм. После регулировки заменяют переменный резистор на постоянный соответствующего номинала.
Схема Цифровой вольтметр для лабораторного БП 4
      В устройстве использованы постоянные резисторы для поверхностного монтажа, типоразмера 1206 (подойдут любые имеющиеся), кроме R4 и R6 — они МЛТ-0,125 (выбор обусловлен особенностями монтажа); подстроечный резистор R2 — желательно многооборотный (при использовании обычного — открытой конструкции — его резистивную поверхность желательно обработать любым доступным средством для очистки контактов). Конденсаторы С1, С2, С4, С5 — импортные керамические многослойные, подойдут также КМ-5, КМ-6. Конденсатор СЗ должен быть с высококачественным диэлектриком (из групп К71— К73) [3]. Из отечественных можно использовать серию К73-16, в худшем случае К73-8 или подобные. Оксидные конденсаторы С6, С7 — импортные с низким значением ESR, например, Jamicon LP (конденсатор С7 желательно зашунтировать керамическим емкостью 2…4 мкФ), С8 — танталовый для поверхностного монтажа.

      Диод VD2 — любой Шотки с обратным напряжением не менее 30 В или любой импульсный с временем рассасывания менее 0,2 мкс. Дроссели L1 и L2 использованы стандартные: L2—для поверхностного монтажа; L1 —RCH-895 производства фирмы Sumida (интервал возможных значений ее индуктивности, согласно [4], весьма широк — 100…2200 мкГн и при малых токах нагрузки особой роли не играет, поэтому при самостоятельном изготовлении дросселя на кольцо К10x4x2 из феррита (например, М1000НМ) следует намотать 30—40 витков провода ПЭВ-2 0,2 или использовать стандартный дроссель ДП подходящей индуктивности).

      В качестве индикатора можно применить любой трехразрядный светодиодный индикатор с общим анодом и разделенными выводами сегментов разных знакомест (т. е. рассчитанный на статическую индикацию — автор использовал индикатор от старого компьютера PC/AT) либо три одноразрядных индикатора, например, распространенный и недорогой BS-A514RD фирмы Bright LED или аналогичные.
      Авторский вариант вольтметра смонтирован внутри блока питания так, что боковая металлическая стенка выполняет роль теплоотвода для микросхемы DA1 (ее корпус соединен с общим проводом, вывод 3). При монтаже микросхемы в корпусе ТО-220 следует учитывать, что при напряжении питания стабилизатора более 20 В ее следует установить на теплоотвод площадью не менее 30 см2 (при меньшем напряжении он не требуется). Максимально допустимое входное напряжение для LM2575T-5.0 ограничено 40 В, но ее версия с суффиксом HV позволяет использовать для питания устройства напряжение до 60 В.

ЛИТЕРАТУРА
1.   www.maxim.com   
2.   www.national.com   
3. Конденсаторы. Справочник. /И. И. Четвертков и др./ — М.: Радио и связь, 1993.
4.   www.sumida.com   

В. БОЧАРНИКОВ, г. Камышин Волгоградской обл.
«Радио» №8 2005г.

Похожие статьи:
Цифровой ампервольтметр для лабораторного источника питания
Двухканальный вольтметр для лабораторного блока питания
Цифровой тахометр с квазианалоговой шкалой
Цифровой вольтметр сетевого напряжения
Бортовой компьютер для автомобиля

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *