В предыдущих лекциях мы узнали, что стандартный измерительный движитель может функционировать и как вольтметр и как амперметр и как омметр, в зависимости от используемой конфигурации внешних резисторов. Резонно предположить, что возможно спроектировать такой универсальный измеритель («мультиметр») где происходит переключение между блоками с соответствующими резисторами для измерения разных электрических характеристик.
В работе с электроникой общего назначения мультиметр является наилучшим инструментом. Никакое другое устройство не способно сделать так много, обладая элегантной простотой управления при минимальных затратах на детали. Как и в большинстве случаев в мире электроники, появление твердотельных компонентов, таких как транзисторы, произвело революцию в устройствах, и конструкция мультиметра не является исключением. Тем не менее, раз уж в этой главе мы решили пройтись по, не побоюсь этого слова, «старомодным» методам, то и я покажу как устроен мультиметр, в котором применены дотранзисторные технологии.
Аналоговый мультиметр
Рис. 1. Аналоговый мультиметр.
Прибор на этом фото является типичным портативным аналоговым мультиметром с диапазонами измерения для напряжения, тока и сопротивления. Обратите внимание на множество шкал на циферблате измерителя для различных диапазонов и функций, выбираемых поворотным переключателем. Провода для подключения этого прибора к цепи («измерительные провода» или выводы мультиметра) вставляются в два медных гнезда в центре нижней части лицевой панели измерителя, имеющие чёрный и красный цвета и надпись «- TEST +» над ними.
Рис. 2. Портативный аналоговый мультиметр.
В конструкции этого мультиметра (созданного компанией «Барнетт») используется несколько иной подход по сравнению с предыдущим. Обратите внимание на то, что поворотный селекторный переключатель имеет меньше положений, чем у предыдущего измерителя, а также и на то, что существует гораздо больше разъёмов, к которым могут быть подключены измерительные провода. Каждое из этих гнёзд помечено числом, указывающим соответствующий диапазон полной шкалы измерителя.
Цифровой мультиметр
Рис. 3. Фото цифрового мультиметра.
Наконец, вот изображение цифрового мультиметра. Обратите внимание, что вместо привычной шкалы счётчика тут пустой серый экран. При включении питания на экране появляются цифры, обозначающие величину измеряемого напряжения, силы тока или сопротивления. Эта конкретная марка и модель цифрового измерителя имеет поворотный переключатель и четыре гнезда, в которые можно подключать измерительные провода. Два провода – красный и черный – показаны уже подключёнными к измерителю.
При внимательном рассмотрении этого измерителя можно обнаружить один «общий» разъём для чёрного измерительного провода и три других для красного. Гнездо, в которое вставлен красный провод, помечено для измерения напряжения и сопротивления, а два других гнезда – для измерения тока (А, мА и мкА). Это продуманная конструктивная особенность мультиметра, требующая от пользователя переставлять штекер измерительного провода из одного гнезда в другое, чтобы переключиться с измерения напряжения на измерение силы тока. Опасно устанавливать датчик в режим измерения силы тока при подключении к значительному источнику напряжения из-за низкого входного сопротивления. При этом необходимо переставлять штекер измерительного провода, а не просто переводить селекторный переключатель в другое положение. Это гарантирует, что измеритель не будет настроен на непреднамеренное измерение силы тока.
Обратите внимание, что селекторный переключатель по-прежнему имеет разные положения для измерения напряжения и тока, поэтому для того, чтобы пользователь мог переключаться между этими двумя режимами измерения, он должен изменить положение красного измерительного провода, а также переместить селекторный переключатель в другое положение.
Также обратите внимание, что ни на селекторном переключателе, ни на разъёмах не указаны диапазоны измерения. Другими словами, на этом измерителе нет диапазонов «100 вольт», «10 вольт» или «1 вольт» (или любых эквивалентных шагов диапазона). Скорее, этот измеритель «выбирает автоматический диапазон», что означает, что он автоматически подбирает соответствующий диапазон для измеряемой величины. Автоматический выбор диапазона есть только в цифровых измерителях, но не во всех моделях.
Нет двух моделей мультиметров, которые бы работали одинаково, даже если они произведены одной и той же компанией. Чтобы полностью понять принцип действия любого мультиметра, необходимо обратиться к руководству пользователя.
В трёх нижних положениях переключателя (в большинстве случаев – против часовой стрелки) движитель измерителя подключается к гнездам «Общее» и к одному из трёх последовательных резисторов, обозначенных на схеме буквой «В» обеспечивающих разные диапазоны (Rумножитель1, Rумножитель2 и Rумножитель3) и, таким образом, прибор действует как вольтметр. В четвёртом положении движитель измерителя подключается параллельно шунтирующему резистору и, таким образом, действует как амперметр для любого тока, входящего в общий разъём и выходящего из разъёма, обозначенного буквой «А». В последнем (самом дальнем по часовой стрелке) положении движитель измерителя отключается от любого красного гнезда, но при этом он закорочен через переключатель. Это короткое замыкание создает демпфирующий эффект для стрелки, предотвращая механическое повреждение, когда счётчик работает.
Если в этой конструкции мультиметра также нужна и функциональность омметра, то для этого можно заменить один из трёх диапазонов напряжения:
Рис. 5. Один из трёх диапазонов напряжения можно использовать как омметр.
Благодаря наличию всех трёх основных функций этот мультиметр может также называться вольт-ом-миллиамперметром.
Получение показаний аналогового мультиметра при большом числе диапазонов может показаться новичку сложной задачей. На аналоговом мультиметреизмерительный движитель имеет несколько размеченных шкал, каждая из которых полезна как минимум для одной настройки диапазона. Вот увеличенная фотография шкалы мультиметра фирмы «Барнетт», показанной в начале этого раздела:
Рис. 6. Мультиметр компании «Барнетт».
Обратите внимание, что на этом циферблате есть три типа шкал: зеленая шкала для сопротивления вверху, набор чёрных шкал для постоянного напряжения, средняя шкала для силы тока и набор синих шкал для переменного напряжения и тока внизу. Как шкала постоянного, так и переменного тока имеет три подшкалы: одна в диапазоне от 0 до 2,5, одна в диапазоне от 0 до 5 и одна в диапазоне от 0 до 10. Оператор измерителя должен выбрать, какая шкала лучше всего соответствует настройкам переключателя диапазонов и штекера, чтобы правильно интерпретировать показания счётчика.
Этот мультиметр имеет несколько основных диапазонов измерения напряжения: 2,5 В, 10 В, 50 В, 250 В, 500 В и 1000 Вольт. С помощью блока расширения диапазона напряжений в верхней части мультиметра можно измерять напряжение до 5000 вольт. Предположим, оператор измерителя решил переключить измеритель в режим «вольт» и подключить красный вывод к 10-вольтовому разъёму. Чтобы интерпретировать положение стрелки, ему или ей нужно будет считать со шкалы, оканчивающейся цифрой «10». Однако, если вставить красный тестовый штекер в гнездо 250 вольт, то чтобы считать показание счётчика на шкале, оканчивающейся на «2,5», надо умножить прямое показание на коэффициент 100, чтобы определить, чему равно измеренное напряжение.
Если ток измеряется с помощью данного прибора, то выбирается другое гнездо, в которое будет вставлен красный штекер. Диапазон выбирается с помощью поворотного переключателя. На этой фотографии крупным планом показан переключатель, установленный в положение 2,5 мА:
Рис. 7. Переключатель установлен на 2,5 мА.
Обратите внимание на то, что все диапазоны тока кратны трём диапазонам шкалы, показанным на лицевой панели измерителя: 2,5, 5 и 10. При некоторых настройках диапазона, таких как, например, 2,5 мА, показания измерителя могут считываться напрямую, по шкале от 0 до 2,5. Для других настроек диапазона (250 мкА, 50 мА, 100 мА и 500 мА) показания счётчика должны быть считаны по соответствующей шкале, а затем умножены на 10 или на 100, чтобы получить реальное значение. Максимальный диапазон силы тока, доступный для этого измерителя, достигается при установке поворотного переключателя в положение 2,5/10 А. Разница между 2,5 А и 10 А определяется положением красного тестового штекера: специальное гнездо «10 А» рядом с обычным гнездом для измерения силы тока обеспечивает альтернативную настройку штекера для выбора более высокого диапазона.
Сопротивление в омах, конечно, измеряется нелинейной шкалой в верхней части лицевой панели измерителя. Он «зеркально-обратный», как и все аналоговые омметры с питанием от батареи, с нулем на правой стороне циферблата и «бесконечностью» на левой. На этом мультиметре имеется только одно гнездо для измерения «омов», поэтому с помощью поворотного переключателя необходимо выбирать различные диапазоны измерения сопротивления. Обратите внимание, что на переключателе предусмотрено пять различных настроек «умножителя» для измерения сопротивления: Rx1, Rx10, Rx100, Rx1000 и Rx10000. Как вы, наверное, догадались, показание счётчика формируется путём умножения положения стрелки, показанной на лицевой стороне счётчика, на коэффициент умножения степени десятки, установленный поворотным переключателем.
