ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к прикладной электроизмерительной технике, а именно к приборам для измерения токов или напряжений или индикации их наличия или направления, с использованием цифровой измерительной техники, может применяться обучающимися и педагогами образовательных учреждений при проведении лабораторных работ по физике, мастерами, занимающимися ремонтом в электрических цепях и в электронных приборах, для контроля напряжения в лабораторных блоках питания, как измеритель силы тока и сопротивления резисторов.
Аналогом заявленного технического решения является заявка на полезную модель «Цифровой вольтметр переменного тока на основе однокристальной микроэвм» (заявка CN 202512166 (U)), который содержит центральный процессор, силовую цепь, схему преобразования напряжения полярности и схему отображения. Выходные концы силовой цепи и цепи преобразования напряжения полярность соединены с входным концом центрального процессора, и выходной конец центрального процессора соединен со схемой отображения. Устройство на основе однокристальных микроЭВМ использует MSP430F448 как ядро, внутренняя часть однокристальных микроЭВМ объединяет аналого-цифровое (A/D) преобразователь 12 бит, и преобразователь соединен с источником, отбор проб, проведение измерений, и автоматическое сканирование, таким образом, значительно упрощается.
Другим наиболее близким техническим решением является патент на авторское свидетельство СССР «Цифровой вольтметр» (US №2011995, дата публикации: 30.04.1994), который содержит делители напряжения, блок ключей, согласующий усилитель, усилитель, пьезоэлектрический дефлектор, объектив, щелевую диафрагму со светодиодом, квантующую линейку световодов, блок фотоприемников, дешифраторы, шифратор, генератор импульсов, ключ, счетчик импульсов, дешифратор, формирователь импульсов, регистр выхода, блок индикации.
Первым недостатком указанного аналога и прототипа является необходимость в дополнительном питании для аналогово-цифровых преобразователей и светодиодных индикаторов в виде соляной батареи, вторым - сложная принципиальная схема вольтметра, третьим - отсутствие схемы защиты от переполюсовки.
Техническим результатом заявленной полезной модели является упрощение конструкции и схемы цифрового вольтметра, а также защита от переполюсовки.
Заявленный технический результат достигается тем, что цифровой вольтметр постоянного тока, состоящий из разъемного корпуса с устройством индикации, на котором находятся плюсовая и минусовая клеммы для подключения вольтметра к источнику измеряемого напряжения.
При этом внутри корпуса располагается схема защиты от переполюсовки, состоящая из диода VD1, расположенная между клеммами, а на печатной плате расположены, делитель напряжения, состоящий из резистора R2, и переменного R1, генератор-преобразователь, собран на транзисторах VT1-KT361 и VT2-KT315 а так же на резисторах R3, R4, конденсатор C4 - 3300 pF, входящий в состав генератора и высокочастотный дроссель L1, намотанный на ферритовое кольцо проводом ПЭВ формирующий пилообразное напряжение для питания стабилизатора, в состав преобразователя входит диод VD2-КД522, конденсатор C3 10,0∗50 v и стабилитрон VD3-KC522, стабилизатор, состоящий из IC1, микросхема 7805, конденсатора C1 и помехозащитного конденсатора C2 - 0,33 mF, служащего для защиты стабилизатора 7805 от проникновения высокочастотных помех, C5 - 4700 pF [20] помехозащитный конденсатор по входу стабилизатора, аналого-цифровой преобразователь, преобразующий измеряемое напряжение в цифровой код. Устройство индикации, представляет собой светодиодную матрицу красного свечения HL MT30361, каждый сегмент которой светодиод вытянутой формы. Управление матрицей производится при помощи микроконтроллера IC2 ATtiny 26 по выводам микросхемы аналогово-цифрового преобразователя 18, 19, 20 (+5 v),а также 3, 1, 7, 9, 8, 2, 4, 12, при этом входные и выходные клеммы печатной платы связаны с клеммами на корпусе посредством соединительных проводов.
Заявленное техническое решение поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1 - блок-схема, поясняющая работу полезной модели.
Фиг. 2 - принципиальная подробная схема, поясняющая работу полезной модели.
Заявленная полезная модель состоит из разъемного корпуса [1] с устройством индикации [2], на котором находятся плюсовая и минусовая клеммы [3] для подключения вольтметра к источнику измеряемого напряжения.
При этом внутри корпуса [1] расположена схема защиты от переполюсовки, состоящая из диода VD1 [4], располагающаяся между клеммами [3]. А на печатной плате расположены делитель напряжения, состоящий из резистора R2 [5], и переменного R1 [6], генератор-преобразователь, собран на транзисторах VT1-KT361 [7] и VT2-KT315 [8], а так же на резисторах R3 [9], R4 [10], конденсатор C4 - 3300 pF [11], входящий в состав генератора и высокочастотный дроссель L1 [12], намотанный на ферритовое кольцо [13] проводом ПЭВ формирующий пилообразное напряжение для питания стабилизатора. В состав преобразователя входит диод VD2-КД522 [14], конденсатор C3 10,0∗5v [15] и стабилитрон VD3-KC522 [16], стабилизатор, состоящий из IC1, микросхема 7805 [17], конденсатора C1 [18] и помехозащитного конденсатора C2 - 0,33 mF [19], служащего для защиты стабилизатора 7805 от проникновения высокочастотных помех. C5 - 4700 pF [20] помехозащитный конденсатор по входу стабилизатора. Аналого-цифровой преобразователь, преобразующий измеряемое напряжение в цифровой код. Устройство индикации [2], представляет собой светодиодную матрицу красного свечения HL MT30361 [21], каждый сегмент которой - светодиод вытянутой формы. Управление матрицей производится при помощи микроконтроллера IC2 ATtiny 26 [22] по выводам микросхемы [23] аналогово-цифрового преобразователя 18, 19, 20 (+5 v), а также 3, 1, 7, 9, 8, 2, 4, 12. Входные и выходные клеммы [3] печатной платы [5] связаны с клеммами [3] на корпусе [1] посредством соединительных проводов.
Основные технические характеристики цифрового вольтметра постоянного тока:
- диапазон измерения - 0,55-30 В;
- высота знаков (цифровой шкалы) - 10 мм;
- входное сопротивление (Rвх) - 160 кОм;
- погрешность измерений - 1%;
- габариты - 50∗50∗15 мм;
- масса - 22 г;
- степень защиты - полная защита от переполюсовки в диапазоне 0-30 вольт;
Заявленная полезная модель работает следующим образом.
Для защиты вольтметра от переполюсовки на входе применяется диод VD1 (рис. 2), подключенный катодом к «+» клемме вольтметра, а анодом - к «-». При переполюсовке щупов происходит отключение источника питания. Далее прикладываемое к вольтметру напряжение через делитель R2, R1 поступает на вход АЦП (аналого-цифрового преобразователя) ножка 11 микросхемы IC2. А также это напряжение поступает на вход преобразователя, собранного на транзисторах VT1, VT2.
Задача преобразователя запитать стабилизатор, собранный на 1С 1, напряжением не ниже 5,6 v. Работает преобразователь следующим образом: измеряемое напряжение, величиной 0,55-5 v, поступает на эмиттер транзистора VT1 и через высокочастотный дроссель на коллектор VT2. Это же напряжение заряжает конденсатор C4 по цепи «+» источника питания →L1→C4→R3→«-» источника питания. При достижении заряда C4, открывается PNP транзистор VT1 типа KT361 или аналог (возможно применение более мощного транзистора KT814), так как к эмиттеру транзистора приложено «+» источника питания, а к базе - «-» конденсатора C4. Открытый переход эмиттер - коллектор этого транзистора, подключает базу транзистора VT2 типа KT815 или аналог, к «+» источника питания через резистор R4 10 Ом. Транзистор VT2 переходит в режим ключа, подсоединяя нижний вывод ВЧ дросселя L1, к «-» источника питания. В это же время начинает разряжаться конденсатор C4 по цепи: «+» C4→ открытый переход коллектор-эимиттер → резистор R2→«-» C4. После разряда C4 отрицательный потенциал на базе транзистора VT1 исчезает, транзистор закрывается, закрывается транзистор VT2 и за счет ЭДС самоиндукции, накопленная энергия в ВЧ дросселе L1, заряжает конденсатор C3 10,0∗50 v по цепи: нижний вывод L1→диод VD2→конденсатор C3→диод VD1→верхний вывод L1. Величина импульса ЭДС самоиндукции примерно в 10 раз выше, чем измеряемое напряжение, приложенное к щупам вольтметра. Эта величина зависит от параметров L1, емкости C4, величины резистора R3 и характеристик транзисторов VT1, VT2, а также напряжения приложенного к вольтметру. От этих же величин зависит частота генерации преобразователя.
При данных параметрах на схеме частота генерации равна 15 кГц при напряжении 0,55 v. Выпрямленное диодом VD2 и сглаженное конденсатором C2 пульсирующее напряжение поступает на вход IC1 7805. Стабилитрон VD3 KC522 служит для защиты микросхемы от перенапряжения, если оно на входе достигнет порога 22 v.
Застабилизированное стабилизатором IC1 напряжение 5 v предназначено для питания микроконтроллера, собранного на микросхеме IC2, и для питания устройства индикации HL MT30361. На вход микроконтроллера IC2 (11 ножка) с делителя напряжения R2, R1 поступает измеряемое напряжение для превращения его из аналого-цифрового сигнала в цифровой код и последующим выводом на светодиодную матрицу.
Разработанный нами цифровой вольтметр обладает заметно следующими характеристиками.
Табл. 1
Параметры
ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Защита от переполюсовки
Защищен
Питание
питание устройства от источника измеряемого напряжения
Надежность
Удароустойчивый
Погрешность измерений
0,1 В (измерено образцовым мультиметром)
Рабочее положение
Не ограничено
Габариты
50×50×25 мм
Масса изделия
22 г
Диапазон измерений
0,55-30 В
Стоимость
50-90 руб. (комплектующие)
Дизайн
Современный дизайн
Дисплей
Высококонтрастный светодиодный дисплей.
Способ отсчета
Предельно простой. Яркая наглядная цифровая индикация.
Анализ совокупности всех существенных признаков предложенного изобретения доказывает, что исключение хотя бы одного из них приводит к невозможности обеспечения достигаемого технического результата.
Анализ уровня техники показывает, что неизвестен такой цифровой вольтметр постоянного тока, которому присущи признаки, идентичные всем существенным признакам данного технического решения, что свидетельствует о его неизвестности и, следовательно, новизне.
При осуществлении полезной модели действительно реализуется наличие предложенного объекта, что свидетельствует о промышленной применимости.