Цифровий ВОЛЬТМЕТР та АМПЕРМЕТР для лабораторного блоку живлення (однополярного та двополярного) на спеціалізованій мікросхемі ICL7107
Склалося так, що виникла потреба у виготовленні амперметра та вольтметра для лабораторних блоків живлення. Щоб вирішити проблему вирішив поритися в Інтернеті і знайти схему, що легко повторюється, з оптимальним співвідношенням ціна-якість. Були думки з нуля виготовити амперметр і вольтметр на базі РКІ та мікроконтролера (МК). А сам собі думаю, якщо це буде мікроконтролер, то не кожен зможе повторити конструкцію – адже необхідний програматор, а купувати чи робити програматор для програмування один-два рази навіть мені не дуже хочеться. Та й людям, мабуть, також не захочеться. Крім того, всі мікроконтролери (з якими я мав справу) вимірюють вхідний сигнал позитивної полярності щодо загального дроту. Якщо потрібно міряти негативні значення, доведеться мати справу з додатковими операційними підсилювачами. Якось напружило все це! Око впало на широко поширену і доступну мікросхему ICL7107. Її вартість виявилася вдвічі меншою від вартості МК. Вартість РКІ 2х8 символів виявилася втричі більшою за вартість необхідної кількості семисегментних світлодіодних індикаторів. Та й свічення світлодіодних індикаторів мені подобається більше ніж РКІ. Можна використовувати й аналогічну дешевшу м/сх вітчизняного виробництва КР572ПВ2. Знайшов в Інтернеті схеми та вперед перевіряти працездатність! Помилка у схемі була, але виправила. Виявилося, що при проведенні калібрування показань АЦП м/сх досить точно працює і точність показань цілком задовольнить навіть найприскіпливішого користувача. Головне підстроювальний резистор взяти багатооборотний хорошої якості. Рахунок дуже швидкий - без гальм. Є суттєвий недолік - двополярне харчування ±5В, але це питання легко вирішуємо за допомогою окремого мережевого блоку живлення на малопотужному трансформаторі з позитивним та негативним стабілізаторами (схему наведу пізніше). Для отримання -5В можна застосувати спеціалізовану мікросхему ICL7660 (помітна на фото зверху сторінки) – класна штука! Але у неї адекватна ціна тільки в SMD корпусі, а в звичайному DIP мені здалася дорогою, та й купити її набагато складніше, ніж звичайні лінійні стабілізатори - простіше мінусовий стабілізатор зробити. Виявилося, що ICL7107 чудово вимірює і позитивні та негативні напруги щодо загального дроту, та ще й знак мінус при цьому висвічується у першому розряді. Взагалі то у першому розряді використовується лише знак "мінус" та цифра "1" для індикації полярності та значення сотні Вольт. Якщо для лабораторного блоку живлення індикація напруги 100В не потрібна і полярність напруги не потрібно індикувати, оскільки на лицьовій панелі БП і так все повинно бути написано, то перший індикатор можна взагалі не встановлювати. Для амперметра ситуація теж, але тільки "1" у першому розряді вказуватиме на досягнення струму в десять Ампер. Якщо БП струм 2...5А, то перший індикатор можна ставити і заощадити. Коротше кажучи, це лише мої особисті міркування. Схеми дуже прості та починають працювати відразу. Потрібно лише за контрольним вольтметром виставити правильні показання за допомогою підстроювального резистора. Для калібрування амперметра доведеться підключити до БП навантаження і за контрольним амперметром виставити правильні показання на індикаторах і все! Для живлення амперметрів у схемі двополярних блоків живлення виявилося, що найкраще використовувати окремий невеликий мережевий трансформатор та стабілізатори із загальним дротом ізольованим від загального дроту самого блока живлення. При цьому входу амперметрів можна підключати до вимірювальних шунтів "як завгодно" - м/сх вимірюватиме як "позитивні", так і "негативні" падіння напруги на вимірювальних шунтах встановлених у будь-якій ділянці схеми БП. Особливо це важливо тоді, коли обидва стабілізатори у двополярному блоці живлення вже об'єднані за загальним дротом без вимірювальних шунтів. Чому я хочу зробити окремий такий собі малопотужний блок живлення для вимірювачів? Ну ще тому, що якщо живити вимірювачі від трансформатора самого блоку живлення, то при отриманні напруги 5 В з 35 В потрібно буде встановлювати додатковий радіатор, який теж виділятиме багато тепла, тому нехай краще невеликі герметичні трансформатори на невеликій хустці. А у разі БП на напругу більше 35 В, скажімо 50 В, доведеться додаткові заходи вживати, щоб забезпечити для п'яти Вольтових стабілізаторів на вході напруга не більше 35 В. Можна застосувати високовольтні імпульсні стабілізатори з низьким тепловиділенням, але при цьому зростає вартість. Коротше кажучи, як не одне, так інше;
Схема вольтметра:
Схема амперметра:
Фотовид друкованої плати вольтметра та амперметра (розмір плати 122х41 мм) зі світлодіодними семисегментними індикаторами типу E10561 із цифрами висотою 14,2 мм. Живлення вольтметра та амперметра роздільне! Це необхідно для забезпечення можливості вимірювання струмів у двополярному джерелі живлення. Шунт амперметра встановлюється окремо – цементний резистор 0,1 Ом/5 Вт.
Схема найпростішого мережевого блоку живлення для спільного та роздільного живлення вольтметрів і кожного з амперметрів (може бути ідея нісенітниця, але робоча):
І фотовигляд друкованих плат із застосуванням компактних герметичних трансформаторів 1,2...2 Вт (розмір плати 85х68 мм):
Схема перетворювача полярності напруги (як варіант отримання -5 з +5 В):
Відео роботи вольтметра
Відео роботиамперметра
Набори та плати робити не буду, але якщо когось зацікавила дана конструкція, то креслення друкованих плат можете завантажити.
Дякую всім за приділену увагу! Удачі, миру та добра Вашому дому! 73!
На малюнку 1 представлена схема цифрового амперметра і вольтметра, яка може бути використана як додаток до схем блоків живлення, перетворювачів, зарядних пристроїв і т.д. Цифрова частина схеми виконана на мікроконтролер PIC16F873A. Програма забезпечує вимірювання напруги 0... 50 В, струм, що вимірюється — 0... 5 А.
Для відображення інформації використовуються світлодіодні індикатори із загальним катодом. Один з операційних підсилювачів мікросхеми LM358 використовується як повторювач напруги і служить для захисту контролера при позаштатних ситуаціях. Все-таки ціна контролера не така вже й мала. Вимірювання струму проводиться непрямим чином, за допомогою перетворювача струм-напруга, виконаного операційному підсилювачі DA1.2 мікросхеми LM358 та транзисторі VT1 – КТ515В. Почитати про такого перетворювача можна ще й . Датчиком струму у цій схемі служить резистор R3. Перевагою такої схеми вимірювання струму полягає в тому, що тут відпадає необхідність точного припасування міліомного резистора. Коригувати показання амперметра можна просто триммером R1 і в досить широких межах. Сигнал струму навантаження для подальшого оцифрування знімається з резистора навантажувача перетворювача R2. Напруга на конденсаторі фільтра стоїть після випрямляча вашого блоку (вхід стабілізатора, точка 3 на схемі) живлення не повинно бути більше 32 вольт, це обумовлено максимальною напругою живлення ОУ. Максимальна вхідна напруга мікросхемного стабілізатора КР142ЕН12А – 37 вольт.
Регулювання вольтамперметра ось у чому. Після всіх процедур - складання, програмування, перевірки на відповідність на зібраний вами твір подають напругу живлення. Резистором R8 виставляють на виході стабілізатора КР142ЕН12А напруга 5,12 В. Після цього вставляють в панельку запрограмований мікроконтролер. Вимірюють напругу в точці мультиметром 2, якому ви довіряєте, і резистором R7 домагаються однакових показань. Після цього виходу (точка 2) підключають навантаження з контрольним амперметром. Рівності показань обох приладів у разі домагаються з допомогою резистора R1.
Резистор-датчик струму можна виготовити самому, використовуючи при цьому, наприклад, сталевий дріт. Для розрахунку параметрів цього резистора можна використовувати програму Програму скачали? Відчинили? Отже, нам потрібен резистор номіналом 0,05 Ом. Для його виготовлення виберемо сталевий дріт діаметром 0,7 мм – у мене він такий, та ще й не іржавіючий. За допомогою програми обчислюємо необхідну довжину відрізка, що має такий опір. Дивимося скрін вікна цієї програми. 
І так нам потрібен відрізок сталевого нержавіючого дроту діаметром 0,7 мм і завдовжки лише 11 сантиметрів. Не треба цей відрізок звивати в спіраль і концентрувати тепло в одній точці. Наче все. Що незрозуміло, прошу на форум. Успіхів. К.В.Ю. Мало не забув про файли.
Розглянуто не складні схеми цифрових вольтметра та амперметра, побудованих без використання мікроконтролерів на мікросхемах СА3162, КР514ІД2. Зазвичай, хороший лабораторний блок живлення має вбудовані прилади, - вольтметр і амперметр. Вольтметр дозволяє точно встановити вихідну напругу, а амперметр покаже струм через навантаження.
У старих лабораторних блоках живлення були стрілочні індикатори, але зараз мають бути цифрові. Зараз радіоаматори найчастіше роблять такі прилади на основі мікроконтролера або мікросхем АЦП на кшталт КР572ПВ2, КР572ПВ5.
Мікросхема СА3162Е
Але є й інші мікросхеми аналогічної дії. Наприклад, є мікросхема СА3162Е, яка призначена для створення вимірювача аналогової величини із відображенням результату на трирозрядному цифровому індикаторі.
Мікросхема СА3162Е являє собою АЦП з максимальною вхідною напругою 999 mV (при цьому показання «999») та логічною схемою, яка видає відомості про результат вимірювання у вигляді трьох двійково-десяткових чотирирозрядних кодів, що по черзі змінюються, на паралельному виході і трьох виходах для опитування індикації.
Щоб отримати закінчений прилад потрібно додати дешифратор для роботи на семисегментний індикатор і складання трьох семисегментних індикаторів, включених в матрицю для динамічної індикації, а також трьох керуючих ключів.
Тип індикаторів може бути будь-яким, світлодіодні, люмінесцентні, газорозрядні, рідкокристалічні, все залежить від схеми вихідного вузла на дешифраторі і ключах. Тут використовується світлодіодна індикація на табло із трьох семисегментних індикаторів із загальними анодами.
Індикатори включені за схемою динамічної матриці, тобто всі їх сегментні (катодні) висновки включені паралельно. А для опитування, тобто послідовного перемикання, використовуються загальні анодні висновки.
Принципова схема вольтметра
Тепер ближче до схеми. На малюнку 1 показана схема вольтметра, який вимірює напругу від 0 до 100V (0...99,9V). Вимірювана напруга надходить висновки 11-10 (вхід) мікросхеми D1 через дільник на резисторах R1-R3.
Конденсатор СЗ виключає вплив перешкод результат вимірювання. Резистором R4 встановлюють показання приладу на нуль, за відсутності вхідної напруги А резистором R5 виставляють межу вимірювання так щоб результат вимірювання відповідав реальному, тобто, можна сказати, калібрують прилад.
Мал. 1. Принципова схема цифрового вольтметра до 100В мікросхемах СА3162, КР514ИД2.
Тепер про виходи мікросхеми. Логічна частина СА3162Е побудована за логікою ТТЛ, а виходи ще з відкритими колекторами. На виходах «1-2-4-8» формується двійководесятковий код, який періодично змінюється, забезпечуючи послідовну передачу даних про три розряди результату виміру.
Якщо використовується дешифратор ТТЛ, як, наприклад, КР514ІД2, його входи безпосередньо підключаються до даних входів D1. Якщо ж буде застосований дешифратор логіки КМОП чи МОП, його входи буде необхідно підтягнути до плюсу з допомогою резисторів. Це потрібно буде зробити, наприклад, якщо замість КР514ІД2 буде використано дешифратор К176ІД2 або CD4056.
Виходи дешифратора D2 через струмообмежуючі резистори R7-R13 підключені до сегментних виводів світлодіодних індикаторів Н1-НЗ. однойменні сегментні висновки всіх трьох індикаторів з'єднані разом. Для опитування індикаторів використовуються транзисторні ключі VT1-VT3, бази яких подаються команди з виходів Н1-НЗ мікросхеми D1.
Ці висновки також зроблено за схемою з відкритим колектором. Активний нуль, тому використовують транзистори структури р-п-р.
Принципова схема амперметра
Схема амперметра показано малюнку 2. Схема практично така сама, крім входу. Тут замість дільника стоїть шунт на п'ятиватному резистори R2 опором 0,1 Від. За такого шунта прилад вимірює струм до 10А (0...9.99А). Установка на нуль та калібрування, як і в першій схемі, здійснюється резисторами R4 та R5.
Мал. 2. Принципова схема цифрового амперметра до 10А і більше мікросхемах СА3162, КР514ИД2.
Вибравши інші дільники та шунти можна задати інші межі вимірювання, наприклад, 0...9.99V, 0...999mA, 0...999V, 0...99.9А, це залежить від вихідних параметрів того лабораторного блоку живлення, який будуть встановлені ці індикатори. Також, на основі даних схем можна зробити і самостійний вимірювальний прилад для вимірювання напруги і струму (настільний мультиметр).
При цьому потрібно врахувати, що навіть використовуючи рідкокристалічні індикатори прилад споживатиме суттєвий струм, оскільки логічна частина СА3162Е побудована за ТТЛ-логікою. Тому хороший прилад з автономним харчуванням навряд чи вийде. А ось автомобільний вольтметр (рис.4) вийде непоганий.
Живляться прилади постійною стабілізованою напругою 5V. У джерелі живлення, в яке вони будуть встановлені, необхідно передбачити наявність такої напруги при струмі не нижче 150mA.
Підключення приладу
На малюнку 3 показано схему підключення вимірювачів у лабораторному джерелі.
Мал. 3. Схема підключення вимірювачів у лабораторному джерелі.
Рис.4. Саморобний автомобільний вольтметр на мікросхемах.
Деталі
Мабуть, найважче - це мікросхеми СА3162Е. З аналогів мені відома лише NTE2054. Можливо, є й інші аналоги, про які мені не відомо.
З рештою значно простіше. Як уже сказано, вихідну схему можна зробити на будь-якому дешифраторі та відповідних індикаторах. Наприклад, якщо індикатори будуть із загальним катодом, то потрібно КР514ІД2 замінити на КР514ІД1 (цоколівка така ж), а транзистори VТ1-VТЗ перетягнути вниз, приєднавши їх колектора до мінуса живлення, а емітери до загальних катодів. Можна використовувати дешифратори КМОП-логіки, підтягнувши їх входи до плюсу за допомогою резисторів.
Налагодження
Загалом воно зовсім нескладне. Почнемо з вольтметра. Спочатку замкнемо між собою висновки 10 і 11 D1, і підстроюванням R4 виставимо нульові показання. Потім, прибираємо перемичку, що замикає висновки 11-10 і підключаємо до клем «навантаження» зразковий прилад, наприклад, мультиметр.
Регулюючи напругу на виході джерела, резистором R5 налаштовуємо калібрування приладу так, щоб показання його збігалися з показаннями мультиметра. Далі налагоджуємо амперметр. Спочатку, не підключаючи навантаження, регулюванням резистора R5 встановлюємо його показання на нуль. Тепер потрібно постійний резистор опором 20 і потужністю не нижче 5W.
Встановлюємо на блоці живлення напругу 10V і підключаємо цей резистор як навантаження. Підлаштовуємо R5 так, щоб амперметр показав 0,50 А.
Можна виконати калібрування і за зразковим амперметром, але мені здалося зручніше з резистором, хоча звичайно на якість калібрування дуже впливає похибка опору резистора.
За цією ж схемою можна зробити автомобільний вольтметр. Схема такого приладу показана малюнку 4. Схема від показаної малюнку 1 відрізняється лише входом і схемою живлення. Цей прилад тепер живиться від вимірюваної напруги, тобто вимірює напругу, що надходить на нього як живильне.
Напруга від бортової мережі автомобіля через дільник R1-R2-R3 надходить на вхід мікросхеми D1. Параметри цього дільника такі ж як у схемі малюнку 1, тобто для виміру не більше 0...99.9V.
Але в автомобілі напруга рідко буває понад 18V (більше 14,5V – вже несправність). І рідко опускається нижче 6V, хіба що падає до нуля при повному відключенні. Тому пристрій реально працює в інтервалі 7...16V. Живлення 5V формується з того ж джерела за допомогою стабілізатора А1.
Ця конструкція описує простий вольтметр з індикаторами на дванадцяти світлодіодах. Даний вимірювальний пристрій дозволяє відображати напругу вимірювання в діапазоні значень від 0 до 12 вольт з кроком в 1 вольт, причому похибка у вимірюванні дуже низька.
На трьох операційних підсилювачах LM324 зібрані компаратори напруги. Їхні інверсні входи приєднані до резисторного дільника напруги, зібраного на резисторах R1 і R2, через який на схему йде контрольована напруга.
На входи операційних підсилювачів, що не інвертують, надходить опорна напруга з дільника, виконаного на опорах R3 - R15. Якщо на вході вольтметра немає напруги, то на виходах ОУ буде високий рівень сигналу і на виходах логічних елементів буде логічний нуль, тому світлодіоди не світяться.
При надходженні на вхід світлодіодного індикатора вимірюваної напруги на певних виходах компараторів ОУ встановиться низький логічний рівень, відповідно на світлодіоди надійде високий логічний рівень, в результаті чого загориться відповідний світлодіод. Для запобігання подачі рівня напруги на вході пристрою є захисний стабілітрон на 12 вольт.
Цей варіант розглянутої вище схеми відмінно підійде будь-якому автовласнику і надасть йому наочну інформацію про стан заряду акумуляторної батареї. В даному випадку задіяні чотири вбудовані компаратори мікроскладання LM324. Інвертуючими входами формуються опорні напруги 5,6V, 5,2V, 4,8V, 4,4V відповідно. Напруга акумулятора безпосередньо надходить на вхід, що інвертує, через дільник на опорах R1 і R7.
Світлодіоди виступають у ролі миготливих індикаторів. Для налаштування, вольтметр, приєднують до АКБ, потім регулюють змінний резистор R6 так, щоб потрібні напруги були присутні на висновках, що інвертують. Зафіксуйте індикаторні світлодіоди на передній панелі авто і нанесіть поряд з ними напругу акумулятора, при якому загоряються той чи інший індикатор.
Отже, хочу сьогодні розглянути черговий проект із застосуванням мікроконтролерів, але ще й дуже корисний у щоденних трудових буднях радіоаматора. Це цифровий пристрій на сучасному мікроконтролері. Конструкція його була взята з журналу радіо за 2010 рік і може бути легко перебудована під амперметр у разі потреби.
Це проста конструкція автомобільного вольтметра використовується для контролю напруги бортової мережі автомобіля та розрахована на діапазон від 10,5 до 15 вольт. У ролі індикатора застосовано десять світлодіодів.
Серцем схеми є ІМС LM3914. Вона здатна оцінити рівень вхідної напруги та відобразити приблизний результат на світлодіодах у режимі точка або стовпчик.
Світлодіоди виводять поточне значення напруги акумулятора або бортової мережі в режимі точки (виведення 9 не підключено або під'єднано на мінус) або стовпчика (виведення 9 до плюсу живлення).
Опір R4 регулює яскравість свічення світлодіодів. Резистори R2 і змінний R1 утворюють дільник напруги. За допомогою R1 здійснюється налаштування верхнього порогу напруги, а за допомогою резистора R3 нижнього.
Калібрування схеми проводиться за принципом. Подаємо на вхід вольтметра 15 вольт. Потім змінюючи опір R1, досягнемо запалювання світлодіода VD10 (в режимі крапка) або всіх світлодіодів (в режимі стовпчик).
Потім на вхід подаємо 10,5 вольт і R3 досягаємо світіння VD1. А потім збільшуємо напругу з кроком в половину вольта. Тумблер SA1 використовується для перемикання між режимами індикації крапка/стовпчик. При замкнутому SA1 – стовпчик, при розімкнутому – точка.
Якщо напруга акумуляторної батареї нижче рівня 11 вольт, стабілітрони VD1 і VD2 не пропускають струм, через що світиться тільки HL1, що говорить про низький рівень напруги бортової мережі автомобіля.
Якщо напруга лежить в інтервалі від 12 до 14 вольт, стабілітрон VD1 відмикає VT1. HL2 горить, вказуючи нормальний рівень АКБ. Якщо напруга батареї вище 15 вольт, стабілітрон VD2 відмикає VT2, і світиться світлодіод HL3, що показує значне перевищення напруги в мережі автомобіля.
У ролі індикатора, як і в попередній конструкції, застосовані три світлодіоди.
При низькій напрузі рівні загоряється HL1. Якщо норма HL2. А понад 14 вольт спалахує третій світлодіод. Стабілітрон VD1 формує опорну напругу для роботи ОУ.
♦ У попередній статті: для контролю зарядного струму застосовується амперметр на 5 - 8 ампер.
Амперметр досить дефіцитна і не завжди підбереш його на такий струм. Спробуємо виготовити амперметр своїми руками. 
Для цього знадобиться стрілочний вимірювальний пристрій магнітно-електричної системи на будь-який струм повного відхилення стрілки за шкалою.
Потрібно подивитися, щоб у нього не було внутрішнього шунта або додаткового опору для вольтметра.
♦ Вимірювальний стрілочний прилад має внутрішній опір рухомої рамки та струм повного відхилення стрілки. Стрільний прилад може використовуватися як вольтметр (додатковий опір включається послідовно з приладом)і як амперметр (додатковий опір включається паралельно з приладом).
♦ Схема для амперметра праворуч малюнку.
Додатковий опір - шунтрозраховується за спеціальними формулами... Ми ж виготовимо його практичним шляхом, застосувавши тільки калібрувальний амперметр на струм до 5 - 8 ампер, або застосувавши тестер, якщо він має таку межу виміру.
♦ Зберемо нескладну схему із зарядного випрямляча, зразкового амперметра, дроту для шунту та акумулятора, що заряджається. Дивіться малюнок... 
♦ Як шунт можна використовувати товстий провід зі сталі або міді. Найкраще й простіше, взяти той же провід, яким намотувалась вторинна обмотка, або трохи товстіша.
Необхідно взяти відрізок мідного або сталевого дроту завдовжки близько 80 сантиметрів, зняти із нього ізоляцію. На двох кінцях відрізка зробити кільця для болтового кріплення. Включити цей відрізок послідовно в ланцюг із зразковим амперметром.
Один кінець від нашого стрілочного приладу припаяти до кінця шунта, а іншим проводити по дроту шунта. Включити живлення, встановити регулятором або тумблерами струм заряду по контрольному амперметру 5 ампер.
Починаючи від місця паяння, іншим кінцем від стрілочного приладу проводити по дроту. Встановити однакові свідчення обох амперметрів. Залежно від опору рамки вашого стрілочного приладу різні стрілочні прилади матимуть різну довжину проводу шунта, іноді до одного метра.
Це, звичайно, не завжди зручно, але якщо у вас буде вільне місце в корпусі, можна акуратно розмістити.
♦ Провід шунта можна змотати в спіраль як на малюнку, або ще як за обставинами. Витки трохи розтягнути, щоб не торкалися один одного або надіти кільця з хлорвінілової трубочки по всій довжині шунта. 
♦ Можна попередньо визначити довжину дроту шунта, а потім замість голого застосувати провід в ізоляції і намотати вже в навал на заготовку.
Підбирати треба ретельно, роблячи всі операції кілька разів, тим точніше будуть показання вашого амперметра.
З'єднувальні дроти від приладу необхідно обов'язково припаювати безпосередньо до шунта, інакше будуть неправильні показання стрілки приладу.
♦ Сполучні дроти можуть бути будь-якої довжини, а тому шунт може бути розташований у будь-якому місці корпусу випрямляча.
♦ Необхідно підібрати шкалу до амперметра. Шкала амперметра для вимірювання постійного струму рівномірна.
