Пробники и индикаторы напряжения

Индикатор отклонения сетевого напряжения от нормы (рис. 2.1) содержит выпрямитель на диоде VD1, гаситель избыточного напряжения на стабилитроне VD2, индикатор включения устройства на светодиоде HL1, два пороговых устройства-индикатора на динисторах и светодиодах, а также регулируемые ре-зистивные делители [2.1].

Рис. 2.1. Схема индикатора отклонения сетевого напряжения от нормы

Когда напряжение на динисторе превысит напряжение его пробоя, включится соответствующий светодиод, включенный последовательно с динистором.
Индикатор может быть усовершенствован: число индицируемых уровней легко увеличить, кроме того, последовательно светодиодам-индикаторам можно включить светодиоды оптронных пар, управляющих тем или иным исполняющим устройством.
Индикатор полярности (рис. 2.2) выполнен на основе генератора стабильного тока на полевых транзисторах VT1 и VT2 и встречно включенных светодиодных индикаторах HL1 и HL2 [2.2].
Диапазон индицируемых напряжений постоянного тока составляет 3...30 б; переменного — 2,2...21 В. Светодиоды загораются в соответствии с полярностью контролируемого напряжения.

Рис. 2.2. Схема индикатора переменного и постоянного тока — индикатора полярности

Рис. 2.3. Схема светодиодного индикатора сетевого напряжения

Рис. 2.4. Схема индикатора напряжения постоянного и переменного тока 3...30 В

Простейший светодиодный индикатор сетевого напряжения использует гасящий конденсатор С1 (рис. 2.3) [2.1]. Стабилитрон защищает цепь светодиода от перенапряжения.
Для индикации напряжения постоянного и переменного тока в диапазоне 3...30 В предназначен пробник по схеме на рис. 2.4 [2.3].
Для индикации напряжения постоянного и переменного тока , в более широком диапазоне (24...250 6) предназначено устройство по схеме на рис. 2.5 [2.3].

Рис. 2.5. Схема индикатора напряжения постоянного и переменного тока 24...250 В

Рис. 2.6. Схема универсального пробника

Для индикации состояния элементов устройств, выполненных на цифровых микросхемах, используют так называемые логические пробники.
К логическим пробникам обычно предъявляют следующие требования: индикация логической единицы/нуля на входе/выходе цифровой интегральной микросхемы, реже — наличие импульсов на электродах полупроводникового прибора. Пробник не должен перегружать выходные цепи контролируемых микросхем или шунтировать входные (т.е. не должен вносить сбоев в работу цифровой техники в процессе контроля). Обычно подобные пробники узкоспециализированы для работы только с ТТЛ- или КЖЗГ7-логикой.
На рисунке 2.6 приведена схема универсального пробника [2.4], позволяющего без использования источника питания контролировать работу ТТЛ (3...5 Б) и КМОП (3...15 6) микросхем, а
также индицировать напряжение постоянного и переменного тока в диапазоне от 3 до 100 Б при длительном подключении и до 300 В — при кратковременном. Пробник питается непосредственно от источника контролируемого напряжения, потребляя при этом весьма незначительный ток: при напряжении 5 В — 90 мкА; при 9 Б —до 190/WK/4; при 15 В—- до 290мк/4; при 1006 — 4 мА и при 300 Б — 12 мА. Высокая экономичность устройства и, соответственно, малая нагрузка по току на контролируемую цепь достигнута за счет динамического характера индикации устройства.
Индикация напряжений малого уровня (до 14 6) осуществляется преимущественно за счет работы генератора импульсов на германиевых транзисторах VT1, VT2, в качестве которых могут быть использованы транзисторы типов МП39 — МП42 и /И/735 — МП38.
При индикации ТТ/7-уровней частота вспышек светодиода HL3 составляет около 3 Гц; при напряжении 4 6 (близком к уровню минимально допустимых значений логической единицы ТТЛ-логики) частота генерации повышается до 5 Гц. При напряжении 3 6 частота генерации возрастает до 10 Гц и выше, яркость свечения светодиода резко снижается. При контроле КМОП-эпементов напряжению в 9 6 соответствует частота генерации около 1 Гц; начиная с напряжений, превышающих значение напряжения стабилизации стабилитрона и напряжение зажигания светодиода, начинает светиться светодиод HL2. Для указанных на рисунке элементов схемы (Д814Б и АЛ307) это напряжение составляет 11,56. Падение напряжения собственно на генераторе импульсов не превышает 10 6. В диапазоне напряжений 14...20 Б светодиод HL2 мигает с частотой около 1 Гц с постепенным переходом в режим непрерывного свечения.
При наличии на входе устройства импульсных сигналов частота (яркость) вспышек светодиодов также изменяется, что позволяет контролировать и динамические процессы в цифровых и аналоговых устройствах.
Пробник может быть выполнен в виде щупа, например, в корпусе авторучки. Генератор устройства защищен от неправильного подключения шунтирующей его цепочкой — VD1 и HL1, причем светодиод HL1 одновременно индицирует своим свечением неправильную полярность подключения.
Устройство контроля напряжения питания (рис. 2.7) работает по пороговому принципу [2.5 — 2.7]. Фактически оно состоит из мостовой схемы и ключевого элемента на аналоге прибора с отрицательным динамическим сопротивлением. В случае, когда напряжение питания снизится ниже определенного порога (2,1 S), происходит переключение ключевого элемента, индикатор — светодиод — загорается. При нормальном уровне напряжения устройство потребляет ток около 1 мА.

Рис. 2.7. Схема порогового устройства контроля напряжения питания

Шестиуровневый индикатор напряжения аккумуляторной батареи (рис. 2.8) [2.8] собран на основе двухпороговых компараторов на элементах «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» [2.9]. Подобный индикатор описан также в статье И. А. Нечаева [2.10].
Кроме общеизвестных четырех участков контролируемого напряжения в схеме предусмотрены еще два — «Разряженность 100%» и «Авария».
Режим «Разряженность 100%» необходим в тех случаях, когда, например, несмотря на обрыв приводного ремня или порчу генератора, необходимо продолжать движение. В этой ситуации важно своевременно зафиксировать момент полного (100%) разряда батареи, после чего она быстро выходит из строя.
Режим «Авария» может оказаться полезным, если надо продолжать движение при неисправном регуляторе напряжения и перезаряжающейся батарее. Постоянно увеличивающееся напряжение в бортовой сети рано или поздно достигнет опасного уровня как для самой батареи, так и для подключенных к ней потребителей.

Рис. 2.8. Схема шестиуровневого индикатора напряжения аккумуляторной батареи

Задающий генератор устройства на логических элементах DD1.1, DD1.2 работает на частоте около 1,3 Гц, а скважность импульсов примерно равна 10. Двухпороговый компаратор DD2.1 определяет участок, на котором работа генератора запрещена. При этом на выходе элемента DD1.2 (как и на выходе компаратора) зафиксирован высокий уровень.
Элемент DD2.3 представляет собой управляемый инвертор. При высоком уровне на входе 13 элемент инвертирует сигнал с генератора, при низком — повторяет без инверсии. Этот элемент скачком изменяет скважность импульсов «мигания» светодиодов двухцветного индикатора HL1 при работающем генераторе, а при заторможенном — обеспечивает либо наличие, либо отсутствие свечения индикатора.
Элемент DD2.2 служит инвертором-усилителем, он повышает четкость срабатывания элемента DD2.3. Компаратор DD2.4 определяет участки свечения «красного» (вывод 2) и «зеленого» (вывод 3) светодиодов индикатора HL1 . Когда на выходе компаратора действует высокий уровень (при напряжении батареи в пределах 11, 7... 15,3 6) — на выходе элемента DD1.4 — низкий уровень, транзистор VT1 закрыт, и поэтому возможно свечение только «зеленого» светодиода.
При низком уровне на выходе компаратора (при напряжении батареи меньше 11,7 или больше 15,3 Б) элемент DD1.4 работает как инвертор, поэтому сигнал с генератора поступает одновременно на базы транзисторов VT1, VT2, и они открываются, включая светодиоды индикатора. Светить, однако, будет только «красный» светодиод, так как падение напряжения на нем меньше, чем на «зеленом».
Таким образом, при напряжении батареи менее 1 1,7 б светодиодный индикатор HL1 излучает импульсы красного света, причем импульсы света значительно длиннее пауз между ними — «пульсирующий свет». При напряжении более 11,7 6, но менее 12,2 В цвет свечения меняется на зеленый, а характер мигания остается прежним.
В диапазоне между 12,2 и 13,8 б — непрерывное свечение зеленого цвета, а на участке 13, 8... 14, 8 6 — свечение отсутствует. При напряжении от 14,8 до 15,3 Б появляется снова мигающее зеленое свечение, но в этом случае импульсы света значительно короче пауз между ними — «пульсирующая тень».
И наконец, когда напряжение превышает 15,3 6, цвет свечения меняется на красный при неизменном характере мигания.
Для индикации уровней напряжения могут быть использованы элементы обычной /ШО/7-логики. О. В. Клевцов [2.11] предложил использовать микросхему К561ЛН2 для шестиуровневого контроля напряжения аккумуляторной батареи (рис. 2.9). Элементы микросхемы использованы в качестве своеобразных компараторов. Шаг индикации напряжения составляет 1 В. Общий диапазон измерения-индикации — от 10 до 15 б.

Рис. 2.9. Схема шестиуровневого индикатора напряжения аккумуляторной батареи

На входы элементов-инверторов микросхемы DD1 через резистивный делитель R1 — R8 подается в определенной пропорции доля контролируемого напряжения. В случае, если напряжение изменяется, изменяются и его долевые составляющие на входах элементов микросхем. В свою очередь напряжение питания стабилизировано при помощи микросхемы DA1 и является опорным. Резистивный делитель рассчитан таким образом, чтобы получить пороги переключения с шагом в 1 В. При желании величина этого шага может быть откорректирована. Неудобством индикатора является сложность его настройки, необходимость индивидуального подбора элементов и трудности при перестройке для индикации другого диапазона напряжений.
Многоуровневый индикатор напряжения источника питания, например, аккумуляторной батареи (рис. 2.10), достаточно просто сделать с использованием специализированной микросхемы типа UAA180 или ей подобной (аналоги — К1003ПП1 и др.) [2.12].

Рис. 2.10. Схема двенадцатиуровневого индикатора напряжения
аккумуляторной батареи

Включение микросхемы — почти типовое. Поскольку для последовательного переключения всей индицирующей линейки светодиодов от HL1 до HL12 необходимо изменение входного управляющего напряжение от 0 до 6 В, то для контроля изменения напряжения питания в пределах от 9 до 15 В достаточно вычесть из контролируемого напряжения избыток в 9 6, что и сделано в схеме за счет применения стабилитрона VD1 (КС191), «вычитающего» напряжение.
Весь диапазон индицируемых напряжений разделен на 12 частей, уровень первой трети которых индицирует группа из 4 светодиодов красного цвета; второй трети — зеленого цвета «Норма». Завершают цепочку 4 светодиода красного цвета.
Микросхема индикатора допускает питание от источника напряжения 9... 18 6. Стабилитрон VD2 типа КС162 предназначен для задания максимально возможного уровня контролируемого
сигнала (6 В). Для того чтобы не допустить превышения напряжения на управляющем входе микросхемы выше этого уровня, рекомендуется соединить через германиевый диод выводы 3 и 17 микросхемы, причем анод диода должен быть подключен к выводу 17.
С выходов А, В, С при желании можно снимать сигнал для управления, например, звуковой индикацией.
В качестве многодиапазонного измерительного прибора может быть использовано устройство с оптической индикацией (рис. 2.11) на микросхеме типа UAA180 и/или политональной звуковой индикацией (рис. 2.11, 2.12) уровня контролируемого сигнала на микросхеме типа К561ЛЕ5 [2.13]. Такой прибор может быть полезен для качественного контроля измеряемого параметра. Он также позволяет оценить его и по величине — визуально по шкале светодиодов и/или по высоте генерируемого звукового тона. Это свойство позволяет пользоваться прибором в условиях недостаточной освещенности; при удалении от измерительного прибора и невозможности визуального считывания информации.
Устройство состоит из анализатора уровня входного сигнала — коммутатора каналов со светодиодной индикацией задействованного канала и управляемого генератора прямоугольных импульсов, частота генерации которого определяется номером задействованного канала индикации. Выходной сигнал генератора через усилительный каскад на транзисторе VT1 подается на капсюль BF1 и/или на внешний усилитель низкой частоты. Число индицируемых уровней напряжения и соответствующих им звуковых тонов равно 12, что соответствует количеству тонов и полутонов полной октавы.
Диапазоны контролируемых напряжений прибора следующие: 0...10 (12) Б; 0...20 (24) В; 0...30 (36) В; 0...40 (48) В; 0...50 (60) В, что может быть пригодно для контроля /ШО/7-уровней, напряжения на 12-и и 24-вольтных аккумуляторах и т.д. Диапазоны могут быть откорректированы заменой делителей R1 -- R5. Достоинством прибора по сравнению со стрелочными индикаторами или цифровыми измерительными приборами является его малая инерционность, что приближает устройство по быстродействию к осциллографическим пробникам.

Рис. 2.1 1 . Схема многодиапазонного измерительного прибора с оптической индикацией уровня сигнала

Рис. 2.12. Дополнение к многодиапазонному измерительному прибору для звуковой индикации

В качестве анализатора уровня входного сигнала использована микросхема типа UAA180 (A277D, отечественный аналог К1003ПП1). Устройство работает следующим образом: входное постоянное напряжение (положительной полярности на входе Х1) через резистивный делитель R1 — R6 и переключатель SA1 поступает на управляющий вход микросхемы. Переключение 12-и выходных каскадов микросхемы происходит при изменении напряжения на резисторе R6 (управляющем входе) в пределах 0...6 В с шагом в 0,5 В. Диод VD1 ограничивает максимальный уровень управляющего напряжения, подключая параллельно входу стабилитрон VD3.
Соответственно поданному на вход уровню включается тот или иной светодиод (HL1 — HL12 типа /А/7307), например, HL2. Тогда напряжение на катоде светодиода HL2 падает до логического нуля. Исходное состояние на всех выходах микросхемы DA1 при отсутствии управляющего сигнала — логическая единица. Соответственно, через коммутирующие диоды на управляющий вход микросхемы DD1 К561ЛЕ5 (вывод 12) будет подан разрешающий прохождение сигнала логический нуль, а частота генератора прямоугольных импульсов будет определяться резисторами R10 —R21.
Эти резисторы (R10 — R21), определяющие высоту генерируемого тона, подбирают таким образом, чтобы звуковые сигналы соответствовали звуковой гамме выбранной октавы. Контроль частоты при настройке генератора производят по цифровому частотомеру.
Значение частоты тона можно вычислить по приводимой ниже программе. Упрощенный вариант программы OCTAVA.PAS для вычисления частот нот и их озвучивания, написанный на языке Turbo Pascal 7.0, приведен ниже.
Вводимый в программу номер соответствует следующим октавам:
1 — Субконтроктава
2 — Контроктава
3 — Большая октава
4 — Малая октава
5 — Первая октава
6 — Вторая октава
7 — Третья октава
8 — Четвертая октава
9 — Пятая октава

PROGRAM OCTAVA(INPUT,OUTPUT);

USES CRT: VAR X,Y:REAL; A, B,C, 0,1: INTEGER;

BEGIN B:=1;
WRITELNC Введите номер от 1 до 9, нажмите клавишу <ВВОД>'):

READ(A); WRITELNC Задайте длительность
звучания ноты в мсек, нажмите <ВВОД>');
READ(D);
FOR I:=1 TO A-1 DO

B:=B*2; X:=1;

FOR I:=1 TO 12 DO
BEGIN Y:=(16.3516075*B*X);

C:=TRUNC(Y);
WRITELNC Частота, Гц ',?);

SOUND(C): DELAY(D);

NOSOUND: X:=X*1.059464

END;

Если нет потребности в звуковой дублирующей индикации, то вторую половину схемы (рис. 2.12) можно исключить. Для индикации переменного напряжения на входе устройства достаточно использовать простейший пиковый детектор.
Для питания аппаратуры в полевых условиях зачастую используют 12-вольтовые мотоциклетные кислотные аккумуляторы. Известно, что срок службы такой батареи заметно зависит от правильности ее эксплуатации, в частности, режима зарядки.
Для того чтобы не допустить переразрядки или перезарядки такого аккумулятора, полезно иметь устройство, в одном случае реагирующее на разряд, а в другом — на полный заряд [2.14].
На рис. 2.13 показана схема устройства [2.14], которое издает звуковой сигнал при разряде аккумулятора до напряжения ниже порогового значения, а в верхнем (по схеме) положении переключателя S2 издает такой же сигнал при заряде до напряжения выше критического.
Устройство состоит из сравнивающего узла на элементах DD1.1 и DD1.2 (триггера Шмитта) и мультивибратора на DD1.3 и DD1.4. При показанном на схеме положении переключателя S2 мультивибратор запускается когда на входе DD1.1 имеется напряжение выше порога срабатывания. Если S2 в нижнем положении — мультивибратор запускается когда на входе DD1.1 напряжение ниже порога срабатывания.

Рис. 2.13. Схема порогового звукового индикатора разряда аккумулятора

Питание на микросхему поступает от аккумулятора через параметрический стабилизатор (R2 и VD1). Напряжение, поступающее на вход DD1.1, снимается до параметрического стабилизатора, так что напряжение на резисторе R1 изменяется так же, как и напряжение аккумулятора. Резистор R1 устанавливается в такое положение, в котором при номинальном напряжении аккумулятора триггер Шмитта (DD1.1, DD1.2) переходит в единичное положение. Пороги перехода в единичное и нулевое состояния триггера Шмитта отличаются, то есть имеется гистерезис, а величина этого гистерезиса зависит от величины сопротивления резистора R4. Если аккумулятор 12-вольтовый, то максимальное напряжение зарядки для него должно быть 14 Б, а минимальное напряжение разрядки — 116. Гистерезис получается равный 3 6, его устанавливают подбором R4, а диапазон — подстройкой R1 таким образом, чтобы при плавном увеличении входного напряжения от нуля единица на выходе DD1.2 устанавливалась при достижении порога 14 6, тогда при падении напряжения до 11 6 логический уровень на выходе DD1.2 сменится на нулевой.
Таким образом, если устройство будет постоянно подключено к батарее, то в случае, когда S2 находится в положении «разряд», звуковой сигнал включится при разряде батареи до 11 6. Если затем, не отключая устройства, поставить батарею на заряд и переключить S2 в положение «заряд», то звуковой сигнал включится при заряде батареи до 14 6.
Кнопка S1 нужна для принудительной установки триггера Шмитта в единичное состояние в случае, если устройство
подключается к частично разряженной батарее, чтобы контролировать ее дальнейший разряд.
Микросхему К561ЛЕ5 можно заменить на К561ЛА7, но при этом поменяются значения положений S2 на обратные. Звукоизлучатель — любой пьезокерамический. Стабилитрон — маломощный на 6... 11 В.
Для индикации (измерения) сетевого напряжения проще всего воспользоваться обычными измерительными приборами. Однако эти приборы в большинстве своем имеют низкую разрешающую способность, что не позволяет отслеживать малые изменения сетевого напряжения. Для того чтобы можно было искусственно растянуть наиболее значимую для контроля напряжения часть шкалы индицирующего прибора, А. Бутовым [2.15] предложена простая схема вольтметра с «растянутой» шкалой (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Схема вольтметра переменного тока для контроля малых изменений сетевого напряжения

Для этого использован мостовой выпрямитель на диодах VD1 — VD4, ограничитель тока на резисторах R1 и R2, конденсатор фильтра С1, аналог стабилитрона — переход эмиттер — база транзистора VT1 и собственно сам измерительный прибор — микроамперметр постоянного тока с подстроечными резисторами R3 и R4.
Напряжение лавинного пробоя аналога стабилитрона — п-р перехода эмиттер — база транзистора VT1 — близко к 6...8 б. Набор резисторов схемы составляет своеобразный делитель напряжения. Пока напряжение на выходе выпрямителя (конденсаторе С1) не превысит напряжения лавинного пробоя п-р перехода
транзистора VT1, микроамперметр не показывает ток. В случае, если это напряжение будет превышено, стрелка измерительного прибора будет отклоняться тем больше, чем выше напряжение на конденсаторе С1.
Резистором R3 регулируют чувствительность прибора, R4 — диапазон измеряемых напряжений. Так, при R4=0 диапазон измерений составит 210.. .230 S; при R4=100 кОм — 100.. .250 В.
В качестве измерительного прибора использован индикатор уровня записи от магнитофона типа М4476/1, М4587, М68501 или иной с током полного отклонения 50...300 мкА.