Малогабаритний мультиметр

У практиці радіоаматорів при проведенні регулювальних робіт виникає необхідність вимірювання змінних і постійних струмів і напруг, опір ділянок ланцюгів, резисторів. Іноді при пошуку несправностей необхідно знати хоча б орієнтовно ємності використовуваних конденсаторів. З урахуванням цих вимог був розроблений многопредельний мультиметр з досить широким діапазоном вимірюваних величин, використанням вимірювальної стрілочний головки з невисокою чутливістю, невеликими (для зручності експлуатації) габаритами.

Межі вимірювання:

  • струму (I) – 0,05 • 10 -3 … 30 … 103мА
  • напруги (U) – 5 • 10 -3 … 3000 В
  • опору – 50 • 10 -3 … 50 • 106 Ом,
  • ємності (С) -5 • 10 -6 … 0,3 мкФ
  • При вимірі діючих значень змінних струмів і напруг шкала приладу лінійна в діапазоні частот 30 … 6000 Гц синусоїдальних періодичних коливань і збігається з шкалою постійних напруг і струмів. Вхідний опір при вимірюванні напруг становить 100 кОм на межі 75 мВ, 1 МОм-0, 75 В, 10 МОм – на інших. У мультиметри використані два варіанти вимірювання опору – послідовний (R) для вимірювання високоомних і паралельний (г) – для низькоомних. При вимірюванні параметрів U, I, С у мультиметри передбачений перемикач SA3 множника шкали на 1, 2 і 4. Межі величин, що вимірюються параметрів при різних положеннях перемикача SA1 (SA3 – у положенні «х1») вказані в таблиці. Прилад живиться від двох елементів типу 316 і споживає струм в режимі вимірювань U і I 0,3 … 0,5 мА. Працездатність мультиметра зберігається при зниженні напруги живлення до 2 В. Габарити приладу – 120Х65Х35 мм.

    Принципова схема мультиметра наведена на малюнку.

    Мультиметр

    Вимірювальний блок на транзисторах VT1-VT9 виконаний за схемою диференціального підсилювача і являє собою лінійний випрямляч з регульованим коефіцієнтом передачі. Високий коефіцієнт передачі напруги при розімкнутого ланцюга зворотного зв'язку (близько 5000) дозволяє підвищити лінійність передатної характеристики і стабільність нуля при різних положеннях перемикача множника свідчень SA3. Елементи R18VD1-VD4 захищають вхід підсилювача від випадкового попадання високої напруги. Висока вхідний опір вимірювального блоку дозволило застосувати один універсальний дільник (R1-R11) для вимірювань напруг, струмів, так і використовувати його при вимірюванні опорів і ємностей. При вимірах напруги до 75 В і струмів перемикачі SA2.1-SA2.4 повинні бути вимкнені. Режим вимірювання напруги на межі 750 У включається натисненням перемикача SA2.1 (SA1 – в положенні «11»). Вимірювання великих значень струмів (більше 1 А) слід проводити, використовуючи входи приладу XS1 (+10 А) і XS5 («-10 А»). При вимірюванні опорів за варіантом «R» вимірюваний резистор підключається до гнізд XS3 («+») і XS4 («-») і виявляється включеним послідовно (SA2.2 – вимкнено, SA2.3 – включено) з резисторами дільника R12-R17 і стабільного джерела струму +1,9 В. У варіанті «г» вимірюваний резистор підключається паралельно резистора дільника R1-R11 (SA2.2-включений, SA2.3 – виключений).

    Емітерний повторювач на транзисторі VT9 виконує роль детектора вихідної напруги. Елементи R29R30C3 при вимірюваннях змінних напруг і струмів забезпечують постійне напруга на виводах вимірювальної головки РА1, пропорційне чинному значенням величин, що вимірюються. Крім того, конденсатор СЗ, шунтіруя рамку вимірювача, виконує роль демпфера, що заспокоює стрілку. На транзисторах VT10VT11 виконаний генератор синусоїдальних коливань для вимірювання ємності конденсаторів. Особливість цього генератора – досить висока стабільність вихідної напруги коливань при підключенні навантаження і невеликий струм споживання – 0,3 … 1 мА, амплітуда генерованих коливань при частоті 2 … 4 кГц – 0,8 … 0,9 В. Частота коливань визначається параметрами елементів L1C4. Вимірюваний конденсатор підключають до клем XS2 («С») і XS3 («+») і включають перемикач S2.4. При цьому утворюється дільник змінної напруги генератора, в який входять вимірюваний конденсатор і резистори R1-R8. На вході вимірювального блоку (затвор VT1) формується напруга, пропорційне величині ємності вимірюваного конденсатора. Живлення приладу здійснено від двох гальванічних елементів типу 316 («Уран», «Прима» та ін.)

    У мультиметри застосований термокомпенсірованний стабілізатор напруги 1,8 … 1,9 В на транзисторах VT12-VT14. Так як це напруга використовується для вимірювання опорів резисторів, то гарна термостабільність дозволяє зберегти установку нуля на всіх діапазонах. Стабілізатор забезпечує вихідний струм 100 мА, що необхідно при вимірюванні резисторів з малим опором. Елементи С6 VD7 здійснюють запуск стабілізатора у момент включення живлення, а діоди VD5, VD6 застосовані для термокомпенсаціі напруги між базою і емітером транзистора VT12, яке використовується в якості опорного. Елементи мультиметра розміщені в саморобному корпусі з полістиролу. У верхній частині розташована стрілочна головка з саморобною шкалою. Під шкально пристроєм поміщені елементи живлення. Перемикачі розташовані в нижній частині приладу: SA1 і SA3 з висновком органів управління – на верхню панель, а SA2 і SA4 – в ряд на бічній панелі (ближній до користувача). Гнізда XS1-XS4 розташовують на бічних стінках мультиметр. Як стрілочного приладу для зменшення габаритів використаний індикатор рівня запису, носяться магнітофонів з чутливістю 200 мкА (М476 / 1). Індикатор доопрацьований – стрілка подовжена і виготовлена нова шкала. Можливе використання й інших стрілочних головок відповідних габаритів з струмом відхилення 50 … 300 мкА при напрузі на висновках 0,1 … 0,3 В. Перемикач SA1 виконаний з двох спарених галет без фіксатора перемикача ПМ з функцією 11П1Н. Перемикач SA3 сомодельний, повзункового типу, аналогічний перемикача, використовуваним для перемикання діапазонів в приймачах «Сокіл», «Селге» та ін Перемикач SA2 на чотири положення з залежною фіксацією і SA4 типу П2К. Резистори R1-R3 саморобні: R1 – 8 … 10 см дроти ПЕВ-2 0,47, R2 і R3 з високоомного проводу (нікеліна, ніхрому) діаметром 0,5 … 0,7 і 0,15 … 0,2 відповідно. Резистор R2 можна виконати і з мідного дроту (16 см ПЕВ-2 0,2), але при цьому буде дещо гірше температурний коефіцієнт опору, що вплине на точність вимірювання струму на межі 0,75 А.

    Для підвищення точності вимірювань номінали резисторів R2-R11, R31-R33 і R42 бажано точно підібрати за допомогою магазину опорів. Резистори R1-R17 при їх монтажі слід розмістити безпосередньо між висновками ламелей перемикача. Конденсатор С4 слід вибрати з низьким ТКЕ і бажано скласти з двох металлопленочні або паперових конденсаторів з різним знаком ТКЕ. Котушка індуктивності L1 виконана на тороїдальним магнітопроводі з фериту марки 2000 НМ із зовнішнім діаметром 10 … 14 мм. Обмотка виконана проводом ПЕВ-2 0,1 … 0,15 і має 400 витків з відведенням від середини. Діоди VD1-VD4, VD7 – кремнієві КД503 або КД509, VD5, VD6-германієвих Д9, ГД107. Крім рекомендованих польових транзисторів, можна використовувати КП303А, КП303Ж, транзистори VT7, VT8 можуть бути ГТ108, VT10, VT14-КТ209, КТ502. Всі транзистори структури провідності n-р-n можна замінити на КТ342, КТ3102. Статичні коефіцієнти передачі струму бази транзисторів VT 13, VT14 повинні бути не менше 200, VT4-VT6, VT9, VT10, VT12 – не менше 100, VT7, VT8 – не менше 70.

    Регулювання мультиметра починають з установки стабілізатора напруги. Резистором R35 встановлюють вихідна напруга в межах 1,8 … 1,9 В. Потім резистор R37 підбирають так, щоб вихідна напруга стабілізатора залишалося незмінним при різних температурах навколишнього середовища. Для проведення таких досліджень потрібно скористатися термостатом, а при його відсутності можна використовувати камеру холодильника і нагрівальний шафа газової плити для створення випробувальних температур в інтервалі -10 … +50 ° С. Якщо мультиметром не передбачається вимірювати опору в зазначених граничних режимах температури, то елементи VD6 і R37 можна виключити (перемкнуть). При виготовленні вимірювального блоку необхідно з достатнім ступенем точності дотримуватися умова ідентичності параметрів транзисторів VT1 і VT2 за напругою відсічення, яке повинне знаходитися в межах 0,6 … 0,8 В. Для підбору цих транзисторів необхідно зняти залежність Uзі = f (Iс). Для цього на сток транзистора слід подати напругу +1,9 В, затвор з'єднати з мінусом джерела живлення, а між затвором і витоком по черзі підключати резистори з опорами 100, 30 і 10 кОм, кожен раз вимірюючи напруга Uзі. У вибраної пари транзисторів параметр Uзі не повинен відрізнятися більш ніж на 2 … 3% відповідно в кожній виміряної точці. Потім слід визначити режим роботи по постійному струму, вимірюючи напруги на резистора R24, R27, R28. Ці напруги повинні бути відповідно 0,15 … 0,25, 1 … 1,2 і 0,15 … 0,25 В. Режими по постійному струму (у разі необхідності) коригують підбором резистора R19. Правильність вибору резистора R2 (або R22) визначають замиканням затвора транзистора VT2 на мінус джерела струму. При цьому стрілка індикатора РА1 повинна відхилитися на 0,1 … 0,3 довжини шкали, а при знятті перемички – повернутися в положення нуля. Конденсатор С1 служить для усунення самозбудження. Резистор R30 повинен складати 0,1 … 0,2 від опору рамки вимірювальної головки.

    Градуювання шкал змінних значень напруг і струмів, а також ємностей та опорів за варіантами «R» і «г» здійснюють при подачі до вимірювальних клем відповідного еталонного джерела напруги або струму та підключенням еталонних конденсатор-торів та резисторів (в останньому випадку магазину опорів) і установкою перемикачів SA1 і SA2 в необхідні положення. Якщо Ви хочете, щоб шкала ємностей збіглася зі шкалою струмів, то в цьому випадку при підключенні еталонної ємності, відповідної середині шкали, наприклад, 4700 або 470 ПФ (при шкалою в 75 поділок), необхідно підбором конденсатора С4 встановити таку частоту, при якій показання індикатора відповідало б величиною еталонної ємності. Величину опору резистора R1 уточнюють після закінчення градуювання мультиметр. Для цього послідовно з входом XS1 («+10 А») підключають еталонний амперметр, розрахований на струм 3 … 6 А. Забезпечивши струм через входи XS1, XS5 в межах можливостей еталонного амперметра підбором R1, домагаються рівності свідчень мультиметра і амперметра. При струмах більше 10 А небажано мультиметр довго тримати в режимі індикації через можливе перегріву резистора R1.

    Точність вимірювань мультиметра в чималому ступені залежить від якості виконання шкали. Тому на цей елемент приладу слід звернути серйозну увагу. Пропоную такий варіант її виготовлення фотоспособом. На жорстко зафіксований подшкальнік зміцнити аркуш білого напівпрозорої папери, наприклад кальки. При градуюванні мультиметра гостро відточеним олівцем завдати контрольні ризики. Потім кальку помістити в фотозбільшувач та спроектувати зображення на аркуш ватману з кратністю збільшення 4 … 7. На ватмані відзначають контрольні ризики і потім тушшю промальовують всі елементи шкали і необхідні написи. Після цього виготовляють фотонегатів, а з нього штатну шкалу, проектуючи зображення на малюнок кальки до збігу контрольних рисок. Точність відліку підвищується, якщо відстань між стрілкою індикатора і поверхнею шкали мінімально.

    З досвіду роботи з мультиметром пропоную рекомендації з розширення його функціональних можливостей.

  • 1. Чутливість мультиметра можна збільшити вдвічі, якщо в перемикачі SA3 ввести четверте положення («х0, 5») з резистором R42 – на схемі показаний штриховою лінією.
  • 2. Вхідний опір на межах вимірювання «75 В» і «750 В» можна збільшити в десять разів, якщо використовувати резистор R11 90 М і включити його між ламелями 10 і 11 перемикача SA1.1.