Этой конструкцией автор планирует завершить цикл своих статей [1-9] по расширению возможностей мультиметров серий М-83х, DT-83x. Приставка позволяет измерять напряжение стабилизации маломощных стабилитронов, а также прямое напряжение и напряжение пробоя диодов, светодиодов и p-n переходов транзисторов. Как и разработанные ранее, она питается от мультиметра и не требует его доработки.
В настоящее время производители выпускают очень большой спектр многофункциональных измерительных приборов с автономным питанием — мультиметров. Чего только они ни «умеют» измерять, но напряжение стабилизации стабилитронов — далеко не все. Не лишены этого недостатка и популярные М-83х, DT-83x. Для таких измерений необходим встроенный или внешний источник напряжением несколько десятков вольт.
Приставка позволяет в некоторой степени решить для них (и подобных им мультиметров) эту задачу. Помимо напряжения стабилизации, она позволяет оценить прямое падение напряжения на маломощных светодиодах и диодах. Некоторые радиолюбители применяют транзисторы, например, серии КТ315, в качестве стабилитронов, используя эмиттерный p-n переход, включённый в обратном направлении. В этом случае с помощью приставки можно быстро подобрать экземпляр транзистора с нужным напряжением стабилизации.
Основные технические характеристики
Измеряемое напряжение, В ……………………..0…30
Ток через тестируемый прибор, мА …………………… 5
Напряжение питания, В …………3
Потребляемый ток:
в режиме измерения, не более, мА …………………. 3
в режиме ожидания, мА……..1,5
Схема приставки показана на рис. 1, а поясняющие её работу временные диаграммы — на рис. 2. При включении мультиметра питание на приставку поступает через вилку ХР1 с гнезда «NPNc» мультиметра со встроенного в микросхему АЦП стабилизатора напряжения +3 В. На транзисторе VT3 и элементах R13, C7, как и в [8], собран узел плавной подачи напряжения на конденсатор С4. Обоснованность применения этого узла, принцип его работы и назначение элементов приведены там же.
Рис. 1
На специализированной микросхеме DA1 (NCP1402SN50T1) собран повышающий с 3 до 31…32 В преобразователь напряжения. В отличие от типовой схемы в [10], энергия в дросселе L1 накапливается за счёт протекания тока через часть обмотки, подключённой между выходом Lx микросхемы DA1 и линией питания +3 В. Во время цикла обратного хода положительные импульсы напряжения на отводе относительно общего провода с учётом падения напряжения на выпрямительном диоде VD1 и напряжения на входе OUT (вывод 2) микросхемы — 5,8 В, а относительно начала обмотки (т. е. за вычетом напряжения питания) — 2,8 В. На крайних выводах обмотки формируется импульсное напряжение, повышенное до 30,8 В. Коэффициент трансформации равен 11. В рабочем режиме напряжение на входе OUT микросхемы NCP1402SN50T1 стабилизировано и равно 5 В, поэтому применение микросхем из этой серии с меньшим выходным напряжением потребует увеличения числа витков обмотки дросселя L1 и усложнит его изготовление. Для нормальной работы преобразователя установлены нагрузочный резистор R1 (100 кОм) [11] и сглаживающий конденсатор С1.
Рис. 2
Положительные импульсы напряжения с повышающей обмотки накопительного дросселя L1 поступают через выпрямительный диод VD2 на сглаживающий конденсатор С2. Постоянное напряжение на этом конденсаторе — около +31 В — складывается из выпрямленного и питающего (3 В) за вычетом потерь.
Оно поступает на источник тока, собранный на транзисторе VT2 по обычной схеме, который и задаёт ток через проверяемый стабилитрон.
Диоды VD5 и VD6 задают стабильное напряжение -1,15 В на базе транзистора относительно линии питания +31 В.
Выходной ток, равный 5,3 мА, задан резистором R9. Тестируемый прибор подключают к выходу источника тока (гнёзда XS1, XS2 «VDx»). Но если источник тока будет работать постоянно, потребляемый приставкой ток станет намного больше максимально допустимого тока нагрузки для встроенного в АЦП мультиметра стабилизатора напряжения. Поэтому в приставке источник тока включается только на короткие промежутки времени.
Источником тока управляет генератор импульсов, собранный на трёх двунаправленных аналоговых ключах DD1.1-DD1.3, входящих в состав микросхемы 74HC4066D — четырёхканального коммутатора [12]. На чей DD1.1 и DD1.2 формируется последовательность прямоугольных импульсов длительностью 12,5 мкс (рис. 2,а) с периодом повторения 500 мкс (скважностью 40). Ключи DD1.1 и DD1.3 с нагрузочными резисторами R4 и R7 включены инверторами, а DD1.2 — как неинвертирующий буферный элемент с нагрузочным резистором R6. В качестве входов использованы входы управления ключами. ПОС для генерации обеспечивает конденсатор С3, ООС — цепь R2VD3R3. Длительность импульсов (12,5 мкс) задана цепью R3VD3 и конденсатором С3, а длительность паузы (487,5 мкс) — резистором R2 и конденсатором C3. Поскольку резисторы R3 и R4 соизмеримы по сопротивлению, цепь ООС R2VD3R3 подключена не напрямую к выходу (выводу 1) инвертора на ключе dD 1.1, а к выходу буферного неинвертирующего элемента. В этом случае возрастает усиление в петле ПОС, а значит, и прямоугольность выходных импульсов.
С резистора R6 импульсы генератора поступают на затвор полевого транзистора VT1. Каждый раз, открываясь на 12,5 мкс, он соединяет резистор R8 с общим проводом, включая на это время подачу тока с источника тока на проверяемый стабилитрон. В промежутках между импульсами транзисторы VT1 и VT2 и проверяемый прибор обесточены. Такой режим работы обеспечивает средний ток потребления преобразователем напряжения от линии питания +3 В не более 2,4…2,5 мА. Импульсы потребляемого тока, как и в [8], сглаживает конденсатор С4.
Импульсы напряжения с выхода ключа DD1.1 с задержанным на 3 мкс цепью R5C5 фронтом поступают на управляющий вход аналогового ключа DD1.4 (рис. 2,б) и открывают его на 9,5 мкс. К этому моменту на подключённом стабилитроне уже установится его напряжение стабилизации. Параллельно стабилитрону подключён резистивный делитель R10R11 с коэффициентом передачи 1:10. Напряжение с выхода резистивного делителя, «вырезанное» за 9,5 мкс ключом DD1.4, поступает на «запоминающий» конденсатор С6, а с него — через вилку XP2 на вход мультиметра «V^mA» для измерения. Конденсатор С6 образует с резисторами R10 и R11 интегрирующую цепь, которая оказывает влияние на коэффициент передачи делителя. Сопротивление резистора R11 задано с учётом этого влияния. Эпюры напряжения на выходе делителя показаны на рис. 2,в.
Чертёж печатной платы показан на рис. 3. Применены элементы (за исключением дросселя L1) для по-верхностного монтажа. Обмотка дросселя содержит 9+91 виток провода ПЭЛ 0,16 и ПЭЛ 0,1 соответственно. Она намотана в один слой на кольцевом магнитопроводе с изоляционным покрытием, изъятом из балласта КЛЛ. Размеры магнитопровода — 4,5х6х х10мм. Начальная магнитная проницаемость, вычисленная с помощью программы-калькулятора Coil32, — около 5000. Индуктивность обмотки между началом и отводом — 160 мкГн. Отклонение более ±30 мкГн ухудшает КПД преобразователя и может привести к его неустойчивой работе [11]. Повышающую обмотку лучше намотать с запасом в несколько витков, а точное число подобрать при налаживании. Штырь ХР1 «NPNc» и входные гнёзда XS1, XS2 «VDx» — от подходящего разъёма. Штыри ХР2 «V^mA» и ХР3 «СОМ» — от измерительных щупов. Конденсаторы С1-С3, С5, С6 — керамические типоразмера 1206, С4, С7 — танталовые типоразмера D и В соответственно. Конденсатор С4 можно заменить выводным, например, К50-35 или импортным. На плате для его плюсового вывода предусмотрена контактная площадка. Все резисторы — типоразмера 1206. Полевой транзистор BSN20 можно заменить транзистором BSS138, BSS138L, 2N7002K, 2N7002L или другим маломощным с ёмкостью затвор-исток не более 50 пФ (при напряжении сток-исток 1 В), допустимым напряжением сток-исток не менее 50 В, а пороговым — не более 2,5 В. Транзистор BC857C можно заменить маломощным структуры p-n-p с коэффициентом передачи тока базы не менее 300 и допустимым напряжением коллектор- эмиттер не менее 50 В. Полевой транзистор IRLML6302 заменим транзистором SSM3J01F, TP0101TS, FDN338P или другим с p-каналом, пороговым напряжением не более 2 В и сопротивлением открытого канала не более 0,5 Ом. Размещение элементов на плате показано на рис. 4.
Рис. 3
Рис. 4
Перед подключением к мультиметру, чтобы не вывести его из строя, приставку сначала подключают к внешнему источнику питания напряжением 3 В. Измеряют потребляемый ток, который при замкнутых гнёздах XS1, XS2 должен быть 2,7…3 мА, а затем подключают к мультиметру. Измеряют напряжение на линии питания +31 В. Оно должно быть в пределах 31.32 В, а изменить его можно подборкой числа витков повышающей обмотки дросселя L1. Далее к гнёздам XS1, XS2 подключают стабилитрон с измеренным заранее напряжением стабилизации при токе 5 мА. Устанавливают переключатель рода работ мультиметра в соответствующее положение и при необходимости корректируют показания, подбирая резистор R11. Внешний вид собранной приставки показан на рис. 5.
Рис. 5
И в заключение об установке положений переключателя рода работ мультиметра. В положении «DCV 200m» предел измерений падений напряжений — 2000 мВ (удобен для диодов и p-n переходов), в положении «DCV 2000m» — 20 В, в «DCV 20» — более 20 В. Максимальное значение измеряемого напряжения — 30 В, оно ограничено выходным напряжением преобразователя напряжения.
Чертежи печатной платы в форматах Sprint LayOut 5.0 и TIFF имеются здесь.
Литература
1. Глибин С. Измеритель ЭПС — приставка к мультиметру. — Радио, 2011, № 8, с. 19, 20.
2. Глибин С. Об измерителе ЭПС. — Радио, 2012, № 8, с. 25.
3. Глибин С. Замена микросхемы 74АС132 в измерителе ЭПС. — Радио, 2013, № 8, с. 24.
4. Глибин С. LC-метр — приставка к мультиметру. — Радио, 2014, № 8, с. 21-24.
5. Глибин С. Измеритель ёмкости и ЭПС оксидных конденсаторов — приставка к мультиметру. — Радио, 2015, № 1, с. 20-23.
6. Глибин С. Вольтметр среднеквадратичных значений — приставка к мультиметру. — Радио, 2015, № 4, с. 24-26.
7. Глибин С. Мегомметр — приставка к мультиметру. — Радио, 2015, № 5, с. 53, 54.
8. Глибин С. Миллиомметр — приставка к мультиметру. — Радио, 2015, № 8, с. 23, 24.
9. Глибин С. Мегомметр до 200 МОм — приставка к мультиметру. — Радио, 2017, № 7, с. 54.
10. NCP1402. 200 mA, PFM Step-Up Micropower Switching Regulator. — URL: https:// www.onsemi.com/pub/CoNateral/NCP1402-D.PDF (01.05.17).
11. Глибин С. Микромощный преобразователь напряжения с высоким КПД. — Радио, 2017, №5, с. 23.
12. 74HC4066; 74HCT4066. Quad singlepole single-throw analog switch. — URL: http:// www. voltmaster. ru/pdf/datasheets/nxp/ 74HC_HCT4066-839702.pdf (01.05.17).
Автор: С. Глибин, г. Москва
