Рис. 4.2. Искусственная нагрузка
Для более высоких напряжений подойдут лампы, работающие от сети, а также специальные резисторы, применяемые для нагрева (в конвекторах и др.). При особенно высокой мощности источника питания в качестве нагрузки можно использовать электролитическую ванну. Для этого в подсоленную воду опускают две не соприкасающиеся между собой металлические полоски достаточного сечения. Подобную операцию настоятельно рекомендуется проводить в хорошо проветриваемом помещении или на улице. В любом случае мощность будет рассеиваться главным образом в форме тепла. Поэтому необходимо принять элементарные меры противопожарной безопасности, а также защитить глаза от интенсивного светового излучения лампы даже при небольших ее размерах.
4.1.3. Использование трансформатора тока
Не всегда получается просто измерить переменный ток, особенно если схема связана с сетью. Существует оригинальное решение этой проблемы с помощью трансформатора тока. Известно, что проводник с током создает магнитное поле, напряженность которого пропорциональна этому току. Если расположить датчик, в данном случае катушку, в непосредственной близости от проводника, можно уловить, а затем обработать наведенный в катушке сигнал.
На практике удобно использовать тороидальный сердечник (такие компоненты применяются в антипомеховых дросселях), намотав на него большое число витков эмалированного провода малого сечения. Количество витков должно быть тем больше, чем меньше измеряемый ток. Проводник с измеряемым током пропускают сквозь тороидальный сердечник. Таким образом формируется первичная обмотка трансформатора (рис. 4.3). Ток во вторичной обмотке может быть небольшим, если предусмотрена его обработка с помощью операционного усилителя, включенного по схеме преобразователя тока в напряжение.
Рис. 4.3. Включение трансформатора тока
Например, ток силой 0,5 А в первичной обмотке создаст ток 5 мА во вторичной обмотке при 100 витках провода и напряжении 0,5 В на выходе усилителя. Это значение соответствует номиналу резистора, указанному на рис. 4.3. Форма сигнала сохраняется, поэтому, чтобы получить постоянное напряжение, потребуется выполнить операции выпрямления и фильтрации. Большое преимущество схемы такого типа — полная изоляция измеряемого проводника от цепи обработки сигнала. Именно этот принцип используется в электроизмерительных клещах. В некоторых случаях можно подключить амперметр непосредственно к вторичной обмотке трансформатора.
4.1.4. Измерение переменного тока или напряжения
Измерение и обработка переменной величины обычно выполняются с помощью преобразователя переменного сигнала в постоянный. Обыкновенный диод в сочетании с конденсатором выполняет операции выпрямления и фильтрации сигнала. Но в действительности речь идет об измерении максимальной (пиковой) величины сигнала. При этом не учитываются ни форма сигнала, ни его частота. Следовательно, данный принцип может успешно применяться исключительно для тех сигналов, у которых изменяется только амплитуда, но не форма. В других случаях лучше использовать специализированные схемы или аналого-цифровое преобразование с последующей математической обработкой.
Классический мультиметр, которым измеряют переменные сигналы, рассчитан на индикацию эффективных значений и обеспечивает правильные показания только для синусоидальных сигналов. Показания для сигналов другой формы содержат ошибки тем более значительные, чем сильнее форма измеряемого сигнала отличается от синусоиды. Таким образом, на выходе преобразователя 12/220 В, построенного на трансформаторе с двумя коммутируемыми транзисторами, будет индицироваться напряжение, существенно превышающее его истинное значение. Для корректного измерения следует использовать осциллограф, который одновременно показывает и амплитуду, и форму сигнала.
4.1.5. Форма измеряемого сигнала
На рис. 4.4 представлены формулы для определения действующих (эффективных) значений сигналов различной формы. Эти формулы действительны как для токов, так и для напряжений. В них используются пиковые (максимальные) значения сигналов и коэффициент заполнения (величина, обратная скважности).
Рис. 4.4. Формулы для определения действующих значений напряжения гармонических сигналов
4.2. Работа с мультиметром
В своей деятельности радиолюбителю придется использовать множество контрольных приборов различного типа для тестирования, измерения и обнаружения неисправностей в электронном оборудовании.
Мультиметр является универсальным прибором, который используется практически каждый день. Имеется два основных типа мультиметров для общего использования: аналоговые и цифровые.
4.2.1. Аналоговые мультиметры
В аналоговом мультиметре (тестер или стрелочный авометр — ампервольтомметр) применяется стандартная измерительная шкала с указателем. Значение напряжения, тока или сопротивления отсчитываются от позиции указателя на измерительной шкале. Определение показаний аналогового мультиметра очень похоже на определение времени по стрелкам на часах. В случае часов приходится интерполировать число секунд между маркировками минут. Точно так же при работе с аналоговым мультиметром нужно определять или оценивать фактическое значение путем интерполирования между маркировками напряжений, токов или сопротивлений на измерительной шкале.
Аналоговые мультиметры все еще широко используются, поскольку они недороги и надежны в работе. Их основным недостатком является то, что они имеют невысокую точность и большой разброс при измерениях. В большинстве случаев погрешность аналогового мультиметра составляет менее 2 % от пределов измерения по шкале прибора, что вполне приемлемо в большинстве практических применений. Тем не менее во многих случаях желательны более точные измерения.
4.2.2. Цифровые мультиметры
Цифровой мультиметр подобен аналоговому в том отношении, что он также является универсальным измерительным прибором, способным измерять напряжение, ток и сопротивление. Основным отличием является то, что результаты измерений выводятся на индикаторную панель десятичной цифровой индикации. В большинстве цифровых ров имеется жидкокристаллический индикатор (дисплей). Значение тока, напряжения или сопротивления выводится в виде десятичных цифр на семисегментные индикаторы. Индикация в более старых цифровых мультиметрах осуществляется с использованием индикаторов на светоизлучающих диодах.
В дополнение к удобствам, связанным с использованием десятичных дисплеев, цифровые мультиметры обеспечивают также более высокую точность измерений. Хороший цифровой мультиметр обеспечивает точность измерений 0,5–1 % от фактического значения. Такие точные измерения предпочтительны при тестировании электронных схем, поскольку они дают наилучшую информацию о состояниях схем. Цифровые мультиметры имеют также более высокую разрешающую способность измерительной системы, что обеспечивает более высокоточные измерения.
Большинство мультиметров позволяют также измерять основные параметры транзисторов: коэффициент передачи тока базы h21Э, обратный ток коллектора IКО и обратный ток эмиттера IЭО.
При использовании мультиметра для измерения напряжений синусоидальных сигналов необходимо иметь в виду, что представляемая на индикации величина является эффективным или среднеквадратическим значением. Необходимо знать также, что мультиметр имеет ограничение по высокой частоте. Это предельное значение частоты варьируется от прибора к прибору, однако оно не превышает обычно нескольких килогерц.
4.2.3. Опасность появления ошибочных показаний
На всех цифровых мультиметрах стоят индикаторы, предупреждающие пользователя о том, что батарейка скоро разрядится. У многих дешевых приборов индикатор включается слишком поздно, когда в показаниях уже появились ошибки. Если результаты измерений вызывают подозрения, следует проверить состояние батарейки. При этом не стоит использовать мультиметр для проверки его собственной батарейки из-за опасности внутреннего короткого замыкания.
4.2.4. Измерения на разомкнутой цепи
При высоком входном сопротивлении цифрового мультиметра (приблизительно 10 МОм) в режиме измерения переменных сигналов на индикаторе нередко появляется напряжение (иногда до 220 В), хотя измерительные щупы не присоединены. На самом деле так проявляется антенный эффект, обусловленный, как правило, работой расположенного поблизости мощного прибора. Если цель измерения — убедиться в отсутствии напряжения перед проведением работ на схеме, это будет существенной помехой. В подобных случаях надо использовать либо гальванометрический (неэлектронный) вольтметр, либо индикатор напряжения.
