Принципиальная схема для измерения тока в лампе

Амперметром измеряется физическая величина Ампер.

Ампер определяет силу тока. Силой тока является скорость прохождения заряженных частиц объемом 1 Кулон через 2 параллельных проводника длинной 1 метр. Этот закон был открыт французским физиком Андре-Мари Ампером.

Первое же функциональное устройство для измерения силы тока изобрел Йохан Швейгер в 1820 году. Тогда оно носило название гальванометр.

Однополупериодный синхронный выпрямитель для амперметра

На рис 1 приведена схема однополупериодного синхронного выпрямителя для амперметра с линеаризованной шкалой. В положительный полупериод переменного напряжения (плюс на верхних концах обмоток II и III) открываются диоды VD1 и VD2 подключая микроамперметр к шунту Rш. В отрицательный полупериод диоды закрыты.

В открытом состоянии диоды имеют малое дифференциальное сопротивление, и нелинейность этого сопротивления невелика, поэтому шкала получается практически линейной.

Рис. 1. Схема амперметра с трасформатором.

При использовании микроампер метров со шкалой 50 .200 мкА с максимальным падением напряжения на рамке не более 150 мВ минимальное напряжение на обмотке III может составлять 1,5. 2 В для германиевых и 2. 2,5 В для кремниевых диодов (при меньшем напряжении его нестабильность заметно сказывается на показаниях амперметра).

Максимальное напряжение ограничивается максимально допустимым обратным напряжением используемых диодов Минимальный ток диодов должен в 10.. 20 раз превышать максимальный ток микроамперметра. Дополнительную обмотку можно изготовить самостоятельно, намотав несколько витков тонкого изолированного про вода на катушку трансформатора, если его конструкция позволяет это сделать.

Резисторы R3 и R4 служат для подстройки нуля амперметра, сдвиг которого возникает за счет тока диода VD2, протекающего через шунт, и разброса параметров диодов.

Синфазность подключения обмоток II и III важна при сравнительно низком напряжении обмотки III (менее 2 В), так как при противофазном включении этих обмоток (в этом случае полярность подключения микроамперметра нужно изменить) в приборе появляется нелинейность шкалы (цена деления в конце шкалы плавно увеличивается), что, кстати, иногда может оказаться полезным. Однако при напряжении на обмотке III выше 4 ..5 В эта нелинейность практически не заметна и на фазу включения обмоток можно не обращать внимания

Для защиты микроамперметра от случайных перегрузок параллельно его выводам полезно включить кремниевый диод Д220 КД522 или КД521 в прямом направлении, предварительно убедившись, что он не влияет на показания микроамперметра в конце шкалы.

Тестер ламп

Введение

Мне, как и некоторым другим людям нравятся радиолампы. Однако, в отличие от большинства любителей радиоламп у меня нет усилителя на них. Тем не менее, я очарован этими хрупкими устройствами, и я люблю читать и писать о них. У меня есть довольно обширная коллекция ламп, и время от времени я задумываюсь над идеей сделать тестер для них, или измеритель Ia-Va и Ia-Vg характеристик. Большинство ламп требует высоковольтного питания, что делает устройство тестера очень громоздким. Но однажды мне в голову пришла такая идея: вместо того, чтобы измерить характеристики ламп в непрерывном режиме, почему бы не измерить их в импульсном режиме. Вся прелесть этого в том, что когда параметры ламп измеряются в импульсном режиме, все громоздкие высоковольтные источники питания могут быть устранены. Вместо этого можно зарядить конденсатор, который выдаст импульс в несколько сотен миллиампер в течение нескольких миллисекунд, необходимых для измерений. Последние полгода было потрачено на проведение экспериментов, разработку схем и написания кода, чтобы сделать мечты реальностью.

Идея заключалась в том, чтобы сделать небольшое и дешевое устройство с широкими возможностями для измерения всех параметров лампы. Поскольку лампа не работает в непрерывном режиме, а только во время импульса длиной около миллисекунды, нет необходимости в «тяжелых» источниках питания, так что все аппаратные средства могут быть размещены на печатной плате размером с открытку.

Вся система состоит из четырех компонентов:
1) Основная плата.
2) Источник питания 19.5В от старого ноутбука.
3) Разъёмы для ламп.
4) Графический интерфейс пользователя (GUI), работающий на компьютере или ноутбуке. Тестер подключается к ПК через RS323 и вся работа с ним осуществляется через графический интерфейс. Тестер предназначен для измерения всех характеристик ламп.

Основные характеристики: измерение тока анода и управляющей сетки при напряжении от 20 до 400 В при токе до 200 мА (анод) и 50 мА (управляющая сетка). Смещение управляющей сетки может быть выбрано в пределах от 0 до -60 В, а напряжения накала может быть в диапазоне от 0 и 19,5В при токе 1,5А.

Аппаратная часть тестера показано на рисунке выше. Высокое напряжение для анода и экранной сетки создают два повышающие преобразователя на основе MOSFET транзисторов. Преобразователи заряжают два 100мкФ/400В конденсатора, которые дают импульс. Работа преобразователей и зарядка конденсаторов полностью контролируется PIC микроконтроллером, поэтому напряжение заряда конденсаторов может быть выбрано в диапазоне от 20 до 400В. Во время зарядки конденсаторов, лампы полностью отключены. Как только конденсаторы заряжаются, на управляющую сетку подаётся импульс определенного (отрицательного) значения смещения. Это приводит к прохождению тока по аноду и управляющей сетке. Эти токи вызывают падение напряжения на резисторе. Это падение напряжения усиливается и инвертируется ОУ, а потом оценивается и сохраняется в микроконтроллере PIC. В действительности, измерение тока немного сложнее. Токи анода и управляющей сетки также немного разряжают конденсаторы. Это падение напряжения добавляется к падению напряжения на резисторах. Поскольку падение напряжения на резисторах исчезает после окончания импульса, а падение напряжения из-за разряда конденсатора остается, можно провести различие между ними. Это требует измерения напряжений во время и сразу после импульса. В действительности же напряжение измеряется непосредственно перед импульсом для компенсации смещения. Дискретное значение напряжения поступает в графический интерфейс, который выполняет необходимые математические вычисления.

Схема содержит несколько блоков, которые не отображаются на рисунке выше. Это генератор импульсов для управляющей сетки, два преобразователя напряжения, один источник питания для ОУ и один для отрицательного смещения сетки, микроконтроллер и источник питания для накала. Источник питания для накала состоит из силового ШИМ, который модулирует длительность импульса 19,5В с аккумулятора. В этом случае напряжение питания нити можно выбрать в диапазоне от 0 и 19,5 V.

Принципиальная схема

Принципиальная схема состоит из двух частей, аналоговой и цифровой. Цифровая часть будет обсуждаться дальше.

На рисунке выше показана аналоговая часть схемы. На первый взгляд схема пугает числом компонентов, но на самом деле не такая сложная, и довольно понятная. Схема состоит из нескольких самостоятельных блоков, каждый из которых будет кратко рассмотрен.

Верхний ряд компонентов в схеме представляет собой генератор смещения для управляющей сетки. Повышающий преобразователь состоит из T1, L1, D1, которые заряжают конденсатор С2, который дает импульс. Делитель напряжения на R4/R5 снижает 0-400V до 0-5V которые идут на микроконтроллер. Все эти компоненты контролируются микроконтроллером, так что напряжение в точности соответствует заданному значению. Резисторы R6 и R7 токоограничительные резисторы. При высоком диапазоне измерений (0-50 мА) S1(реле) замкнуто, при низком диапазоне (0-5 мА) S1 открыто и не замыкает R6 и R7. Конденсатор C5 фильтрует отрицательные импульсы и ОУ IC1 инвертирует их в положительные. Изначально развязывающий конденсатор C19 (и С20) был необходим для предотвращения лампы от колебаний. В окончательном варианте оказалось, что эти конденсаторы вызвали колебания, поэтому они были удалены. Второй ряд компонентов на рисунке практически идентичен верхнему.

В нижней правой части рисунка расположена схема питания для накала. Как уже упоминалось ранее, напряжение питания нити регулируется при помощи ШИМ. Основной ШИМ-сигнал генерируется микроконтроллером и буфером на T16 и T17, которые управляют MOSFET транзистором T18. Фильтр, состоящий из L5 и C14/C15 разглаживает высокие пики тока, которые могут быть вызваны включением нити низкого сопротивления, особенно, когда в помещении холодно.

В нижней левой части рисунка расположена схема инвертирующего повышающего преобразователя. Транзисторы T7/T8 вместе с L3 и D7 создают нерегулируемое отрицательное напряжение для питания ОУ. Этот конвертер полностью управляется программой, которая поддерживает выходное напряжение около -20 В. IC5 и IC6 обеспечивают регулируемое + / — 15 V питание для аналоговой части. Отрицательное смещение на управляющую сетку сделано на T9, T10, L4, D10 и C10. Выходное напряжение этого преобразователя переключается программно от -20 до -65V в зависимости от выбранного диапазона смещения.

Остальные компоненты в цепи предназначены для контроля импульса смещения управляющей сетки. Эта часть схемы немного сложнее, так что только основные рабочие элементы будут описаны. Высота управляющего импульса регулируется ШИМ-сигналом с микроконтроллера. Фильтр низких частот вокруг IC4 преобразует сигнал с ШИМ в напряжение постоянного тока от 0 до 5 В. Когда T15 открывается, это напряжение берётся относительно Gnd и, питание сетки отключается при -15 V (низкий диапазон измерений) или -60 В (высокий диапазон). T11-T13 и IC3 делает импульс на управляющую сетку. Точное соотношение между сигналом ШИМ с микроконтроллера и импульсами с сетки управляется программой.

Цифровая часть тестера, вероятно, наименее интересная часть всего проекта. Контроллер PIC16F874 используются в стандартной конфигурации, и работает на частоте 20 МГц. Тестер взаимодействует с компьютером через MAX232 по интерфейсу USART. В этом проекте использовано внутрисхемное программирование контроллера через специальный разъем.

Техническая реализация

К сожалению, печатная плата для тестера отсутствует т.к. он построен на макетной плате.

На рисунке выше тестер, собранный на макетной плате. Все компоненты были логически сгруппированы вместе. Расположение проводников не является критическим, однако надо учесть некоторые моменты. В первую очередь следует помнить, что некоторые части схемы имеют очень высокое напряжение — более 400 В. Позаботьтесь, чтобы они были хорошо заизолированы и не касались низковольтной части схемы. Во-вторых, некоторые части схемы, имеют очень высокий уровень пиковых токов. Делайте эти проводники короче, и подключайте их непосредственно к клеммам питания. И, наконец, во избежание контуров заземления, разводите землю «звездой»

Кроме резисторов с точностью 1%(или лучше) качество компонентов не очень важно. Я использовал то, что было. BF487 можно заменить любым слабым транзистором NPN структуры с BVceo 400В и выше. Вместо всех остальных биполярных транзисторов NPN или PNP может быть использованы те, которые есть. Катушки индуктивности всегда считаются «трудным» компонентом. Я выпаял их из старой печатной платы. Предпочтительно использовать катушки выдерживающие ток 1,2 A. Реле также не критично. Вероятно, три MC34071 могут быть заменены одним LM324. Для IC3 лучше всего использовать LM741.

Графический интерфейс пользователя

Тестер работает с графическим интерфейсом пользователя (GUI) на компьютере. Графический интерфейс написан на Visual Basic 6.0. Чтобы запустить GUI, надо просто скопировать исполняемый файл в пустую папку и дважды щелкнуть по нему. Если все работает как надо, то должно появиться окно:

Я пытался сделать работу с тестером как можно более простой и понятной. Интерфейс разделен на три части: «Выбор типа измерения», «График выхода» и «Связь». Измерение начинается с выбора типа измерений. Выбор типа измерения автоматически загружает значения по умолчанию для различных измерений. Основным показателем является переменная X-Axis, которая может быть задана вручную. Также могут быть заданы точки измерения. По умолчанию эти точки измерения равномерно распределяются в течение интервала измерения. В случае измерения более одного значения, например, когда много Ia (Vgrid) значений измеряются при различных напряжениях анода, которые должны быть введены в поле «stepping variable», значения в этой области должны быть отделены друг от друга пробелами.

Также есть ручной выбор диапазона. Когда пользователь считает, что анодный ток будет выше, чем 20 мА, или ток управляющей сетки более 5 мА, соответствующий флажок должен быть установлен. Это означает, что все измерения проводятся в высоком диапазоне, и, следовательно, с меньшей точностью. Может быть указано время между измерениями. Это может быть использовано, например, в Ia (V_filament) измерении, чтобы дать прогреться нити накала.

Кнопка «Measure Curve» имеет двойную функцию. До первого измерения, его подпись «Turn on Filament». После того, как «Turn on Filament » кнопка была нажата, ее подпись изменится на «Measure Curve». При нажатии на нее снова измерение началось. Когда нажата кнопка «Abort » измерения прекращаются сразу, а накал остается включённым. При нажатии на кнопку «Abort » ещё раз отключается и накал.

«Curve Output» отображает данные измерений. По умолчанию отображается только анодный ток. Минимальные и максимальные значения осей могут быть заданы. Некоторые элементарные проверки введенных значений осуществляются на основе выбранного типа измерений. Верхний ряд кнопок предварительной настройки дает возможность быстро менять оси графика для Ia (V_anode) типа измерений. Нижний ряд кнопок предварительной настройки предназначен для Ia (V_grid) типа измерений.

При нажатии кнопки «Save Data» вся матрица измерений записываются во внешний файл для дальнейшей обработки, например, в Excel. Каждая строка в файле данных представляет собой одно измерение. Файл хранится в формате *. UDT . В первом столбце указано количество измерений каждого сигнала, в то время как вторая колонка содержит номер сигнала. Следующие шесть колон содержат ток анода и управляющей сетки (в мА), и напряжения управ. сетки, анода, и накала. При нажатии на кнопку «Store», вся матрица измерений копируется во вторую матрицу данных (dblStoreMX), которая является внутренней для программы. Нажав кнопку «Recall» данные хранимые в этой матрице могут быть добавлены в график. Таким образом, становится возможным сравнить характеристики различных ламп. После того, как кнопка «Recall» была нажата, название меняется на «Dismiss». Нажатие на нее снова, удаляет добавленные данные из графика, но оставляет основные.

Последняя часть, связь, была добавлена ​​в основном для отладки. Это позволяет детально изучить связь между GUI и тестером. Только поля ввода Dropbox, который позволяет пользователю выбрать нужный номер COM порта, кнопки отключения COM-порта, а также флажок, который при проверке вводит 2 секундные задержки. Если теряется связь с тестером, вполне возможно, что тестер по прежнему ждет сигнал, который не придет. Чтобы сбросить тестер в таком случае кнопка «ESC» может быть использована. Прием символа ESC будет всегда вызвать сброс в тестере.

Программное обеспечение

Аппаратная часть не работает без прошивки микроконтроллера, и управлять тестером нужно при помощи графического интерфейса пользователя. Обе программы можно скачать здесь. Архив содержит следующие файлы:
Файл UTRACE21.HEX – прошивка МК
Файл version1p2.exe графический интерфейс пользователя. Если выскакивает окно с сообщением что файл MSCOMM32.OCX отсутствует, вы должны установить этот файл.
Файл MSCOMM32.OCX этот компонент Microsoft заботится о доступе к последовательному порту COM.
Файл «version1pt.exe» является тестовой версией графического интерфейса, который берёт заранее прописанные значения для проверки работоспособности программы без тестера.

Послесловие

Цена этого тестера значительно меньше 50 евро, и хотя очевидно, что, есть намного лучшие и более точные измерительные приборы, это идеальный инструмент, чтобы быстро получить представление о характеристиках конкретной лампы. Если у вас есть как и у меня, коробки со старыми лампами, и вам интересно узнать что «они все еще играют», то этот тестер это просто идеальный инструмент. В настоящее время он, естественно, не совершенен. Я многому научился за время построения этого проекта, особенно тому, как некоторые вещи можно было сделать лучше.

3.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА

Приборы этой системы (рис. 3.4.1) имеют неподвижную катушку — 1 и подвижную часть в виде стального сердечника — 2, связанного с индикаторной стрелкой — 3 противодействующей пружины — 4.
Измеряемый ток, проходя по катушке, намагничивает сердечник и втягивает его в катушку.
При равенстве вращающего и тормозящего моментов система успокоится. По углу поворота подвижной части определяют измеряемый ток.
Среднее значение вращающего момента пропорционально квадрату измеряемого тока:

Так как тормозящий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорцио-нален углу поворота подвижной части , уравнение шкалы прибора запишем в виде:

Другими словами, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату действующего значения переменного тока.

К главным достоинствам электромагнитной силы относятся: простота конструкции, надежность в работе, стойкость к перегрузкам.
Из недостатков отмечаются: низкая чувствительность, большое потребление энергии, небольшая точность измерения, неравномерная шкала.

Как измерять потребляемый ток электроприбором

Для удобства и безопасности работ по измерению потребляемого тока электроприборами необходимо сделать специальный удлинитель с двумя розетками. По внешнему виду самодельный удлинитель ничем не отличается от обыкновенного удлинителя.

Но если снять крышки с розеток, то не трудно заметить, что их выводы соединены не параллельно, как во всех удлинителях, а последовательно.

Как видно на фотографии сетевое напряжение подается на нижние клеммы розеток, а верхние выводы соединены между собой перемычкой из провода с желтой изоляцией.

Все подготовлено для измерения. Вставляете в любую из розеток вилку электроприбора, а в другую розетку, щупы амперметра. Перед измерениями, необходимо переключатели прибора установить в соответствии с видом тока (переменный или постоянный) и на максимальный предел измерения.

Как видно по показаниям амперметра, потребляемый ток прибора составил 0,25 А. Если шкала прибора не позволяет снимать прямой отсчет, как в моем случае, то необходимо выполнить расчет результатов, что очень неудобно. Так как выбран предел измерения амперметра 0,5 А, то чтобы узнать цену деления, нужно 0,5 А разделить на число делений на шкале. Для данного амперметра получается 0,5/100=0,005 А. Стрелка отклонилась на 50 делений. Значит нужно теперь 0,005×50=0,25 А.

Как видите, со стрелочных приборов снимать показания величины тока неудобно и можно легко допустить ошибку. Гораздо удобнее пользоваться цифровыми приборами, например мультиметром M890G.

На фотографии представлен универсальный мультиметр, включенный в режим измерения переменного тока на предел 10 А. Измеренный ток, потребляемый электроприбором составил 5,1 А при напряжении питания 220 В. Следовательно прибор потребляет мощность 1122 Вт.

У мультиметра предусмотрено два сектора для измерения тока, обозначенные буквами А– для постоянного тока и А

для измерения переменного. Поэтому перед началом измерений нужно определить вид тока, оценить его величину и установить указатель переключателя в соответствующее положение.

Розетка мультиметра с надписью COM является общей для всех видов измерений. Розетки, обозначенные mA и 10А предназначены только для подключения щупа при измерении силы тока. При измеряемом токе менее 200 мA штекер щупа вставляется в розетку mA, а при токе величиной до 10 А в розетку 10А.

Внимание, если производить измерение тока, многократно превышающего 200 мА при нахождении вилки щупа в розетке mA, то мультиметр можно вывести из строя.

Если величина измеряемого тока не известна, то измерения нужно начинать, установив предел измерения 10 А. Если ток будет менее 200 мА, то тогда уже переключить прибор в соответствующее положение. Переключение режимов измерения мультиметра допустимо делать только обесточив измеряемую цепь.

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.2. Измерения должны проводиться в условиях и режимах, указанных в стандартах на лампы конкретных типов*.

* Здесь и далее при отсутствии стандартов на лампы конкретных типов нормы и требования указываются в технической документации, утвержденной в установленном порядке.

Измерение тока анода в начале анодно-сеточной характеристики рекомендуется проводить только при фиксированном напряжении управляющей сетки.

±5% при измерении токов более 0,3 мА;

±10% при измерении токов до 300 мкА и в импульсном режиме.

Простые схемы и программное обеспечение для измерения постоянного и переменного тока

Эта статья предлагает несколько методов для измерения напряжения, тока и мощности. Простейший вариант требует только один компонент, датчик Холла, который измеряет переменный ток. Самый сложная мера эффективного варианта значения (RMS) напряжение и ток, Она учитывает осциллограмму и корректирует фазовые сдвиги. И, наконец, приложение на ПК рассчитывает реальную мощность, коэффициент мощности, стоимость в час, а общая стоимость в течение определенного периода времени.
Важным аспектом измерения реальной власти является то, что она также может дать отрицательные значения. Положительное значение мощности указывает на то, что он отзывает энергию, а отрицательное значение указывает на то, что вы входите в энергию к сети. Эта функция полезна для тех, кто с солнечными батареями. Энергокомпания в этих случаях используется два счетчика, но мы получим тот же результат измерения в одной точке.

Для сбора данных можно использовать мастер-модуль, или Arduino, для которого мы разработали прошивку (эскиз) с улучшенными характеристиками по сравнению с аналогичными проектами. Прошивки, которую мы разработали могут быть легко использованы специалистами Arduino, даже вне системы Theremino также легко обмениваться данными с ПК.

Ход урока

I. Организационный момент (2 минуты)

ІІ. Инструктаж по правилам техники безопасности (2 минуты)

Инструкция по технике безопасности при проведении лабораторной работы «Измерение мощности и работы тока в электрической лампе»

1. Будьте внимательны и дисциплинированны, точно выполняйте указания учителя.
2. Не приступайте к выполнению работы без разрешения учителя.
3. Размещайте приборы, материалы, оборудование на своём рабочем месте таким образом, чтобы исключить их падение или опрокидывание.
4. При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов.
5. Следите за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях.
6. При сборке экспериментальных установок используйте провода с наконечниками с прочной изоляцией без видимых повреждений.
7. При сборке электрической цепи избегайте пересечения проводов.
8. Источник тока к электрической цепи подключайте в последнюю очередь.
9. Не прикасайтесь к находящимся под напряжением элементам цепей, лишённым изоляции.
10. По окончании работы отключите источник электропитания, после чего разберите электрическую цепь.

ІІІ. Выполнение лабораторной работы (25 минут)

Учитель рассказывает (и демонстрирует) порядок выполнения лабораторной работы:

• собрать цепь из источника питания, лампы, амперметра и ключа, соединив всё последовательно;
• подключить вольтметр параллельно лампе, замкнуть ключ и измерить напряжение ( U ) на лампе;
• измерить амперметром силу тока ( І ) в цепи;
• начертить в тетради схему собранной цепи и записать показания приборов;
• вычислить мощность тока в лампе по формуле Р=UхI;
• рассчитать работу тока в лампе по формуле А=UxIxt, измерив время ( t ) горения лампы в цепи;

Проводник

Напряжение U, В

Сила тока I, А

Время t, сек