В радиолюбительской практике это наиболее распространенный вид измерений. Например, при ремонте телевизора измеряются напряжения в характерных точках устройства, а именно на выводах транзисторов и микросхем. Если есть под рукой принципиальная схема, и на ней указаны режимы транзисторов и микросхем, то найти неисправность опытному мастеру не составит труда.

При налаживании конструкций, собранных своими руками, без измерения напряжений обойтись нельзя. Исключения составляют лишь классические схемы, про которые пишут примерно так: «Если конструкция собрана из исправных деталей, то наладки не требуется, заработает сразу».

Как правило, это классические схемы электроники, например, . Такой же подход может получиться даже к усилителю звуковой частоты, если он собран на специализированной микросхеме. Как наглядный пример TDA 7294 и еще много микросхем этой серии. Но качество «интегральных» усилителей невелико, и истинные ценители строят свои усилители на дискретных транзисторах, а порою на электронных лампах. И вот тут-то без налаживания и связанных с этим измерений напряжений просто не обойтись.

Как и что предстоит измерять

Показано на рисунке 1.

Рисунок 1.

Возможно, кто-то скажет, мол, что тут можно измерять? И какой смысл собирать подобную цепь? Да, практического применения для такой схемы найти, наверно, трудно. А для познавательных целей она вполне подойдет.

Прежде всего, следует обратить внимание на то, как подключается вольтметр. Поскольку на рисунке показана цепь постоянного тока, то и вольтметр подключается с соблюдением полярности, указанной на приборе в виде знаков «плюс» и «минус». В основном это замечание справедливо для стрелочного прибора: при несоблюдении полярности стрелка отклонится в обратную сторону, по направлению к нулевому делению шкалы. Так что получится какой-то отрицательный ноль.

Цифровые приборы, мультиметры, в этом плане более демократичны. Даже если подключены в обратной полярности, напряжение все равно будет измерено, только на шкале перед результатом появится знак «минус».

Еще на что следует обратить внимание при измерении напряжений это диапазон измерений прибора. Если предполагаемое напряжение находится в пределах, например, 10…200 милливольт, то такому диапазону соответствует шкала прибора 200 милливольт, а измерение упомянутого напряжения по шкале 1000 вольт вряд ли даст вразумительный результат.

Так же следует выбирать диапазон измерений и в других случаях. Для измеряемого напряжения 100 вольт вполне подойдет диапазон 200В и даже 1000В. Результат будет один и тот же. Это что касается .

Если же измерения производятся старым добрым стрелочным прибором, то для измерения напряжения 100В следует выбрать диапазон измерений, когда показания находятся в середине шкалы, что позволяет осуществить более точный отсчет.

И еще одна классическая рекомендация по использованию вольтметра, а именно: если величина измеряемого напряжения неизвестна, то измерения следует начинать, установив вольтметр на самый большой диапазон. Ведь если измеряемое напряжение будет 1В, а диапазон будет 1000В, самая большая опасность в неверных показаниях прибора. Если же получится наоборот, - диапазон измерений 1В, а измеряемое напряжение 1000, покупки нового прибора просто не избежать.

Что покажет вольтметр

Но, пожалуй, вернемся к рисунку 1, и попробуем определить, что, же покажут оба вольтметра. Для того, чтобы это определить, придется . Задачу можно решить за несколько шагов.

Во-первых, рассчитать ток в цепи. Для этого надо напряжение источника (на рисунке это гальваническая батарея с напряжением 1,5 В) разделить на сопротивление цепи. При последовательном соединении резисторов это будет просто сумма их сопротивлений. В виде формулы это выглядит примерно так: I = U / (R1 + R2) = 4,5 / (100 + 150) = 0,018 (А) = 180 (мА).

Маленькое замечание: если выражение 4,5 / (100 + 150) скопировать в буфер обмена, затем вставить в окно виндоус-калькулятора, то после нажатия клавиши «равно» будет получен результат вычислений. На практике вычисляются еще более сложные выражения, содержащие квадратные и фигурные скобки, степени и функции.

Во-вторых, получить результаты измерений, как падение напряжения на каждом резисторе:

U1 = I * R1 = 0,018 * 100 = 1,8 (В),

U2 = I * R2 = 0,018 * 150 = 2,7 (В),

Для проверки правильности вычислений достаточно сложить оба получившиеся значения падения напряжений. Сумма должна быть равна напряжению батареи.

Возможно, у кого-то может возникнуть вопрос: «А если делитель будет не из двух резисторов, а из трех или даже из десяти? Как определить падение напряжения на каждом из них?». Точно так же, как и в описанном случае. Сначала надо определить общее сопротивление цепи и рассчитать общий ток.

После чего этот уже известный ток просто умножить на . Иногда такие вычисления делать приходится, но тут тоже есть одно но. Чтобы не сомневаться в полученных результатах ток в формулы следует подставлять в Амперах, а сопротивление в Омах. Тогда, вне всяких сомнений, результат получится в Вольтах.

Сейчас все привыкли пользоваться приборами китайского производства. Но это не говорит о том, что качество у них никудышное. Просто в отечестве никто не додумался до производства собственных мультиметров, а стрелочные тестеры делать, видимо, разучились. Просто обидно за державу.

Рис. 2. Мультиметр DT838

Когда-то в инструкциях к приборам указывались их технические характеристики. В частности для вольтметров и стрелочных тестеров это было входное сопротивление, и указывалось оно в Килоомах/Вольт. Были приборы с сопротивлением 10 К/В и 20 К/В. Последние считались более точными, поскольку меньше подсаживали измеряемое напряжение и показывали более точный результат. Сказанное можно подтвердить рисунком 3.

Рисунок 3.

Действующее напряжение U составляет 0,707 амплитудного напряжения Uм.

U = Uм/√2 = 0,707 * Uм, откуда можно сделать вывод, что Uм = U * √2 = 1,41 * U

Здесь уместно привести широко распространенный пример. При измерении переменного напряжения прибор показал 220В, значит, амплитудное значение по формуле получится

Uм = U * √2 = 1,41 * U = 220 * 1,41 = 310В.

Этот расчет подтверждается каждый раз, когда сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом после которого стоит хотя бы один электролитический конденсатор: если померить постоянное напряжение на выходе моста, то прибор покажет как раз 310В. Эту цифру следует запомнить, она может пригодиться при разработке и ремонте импульсных блоков питания.

Указанная формула справедлива для всех напряжений, если они будут иметь синусоидальную форму. Например, после понижающего трансформатора имеется 12В переменки. Тогда после выпрямления и сглаживания на конденсаторе получится

12 * 1,41 = 16,92 почти 17В. Но это если не подключена нагрузка. При подключенной нагрузке постоянное напряжение подсядет почти до 12В. В случае, когда форма напряжения иная, чем синусоида эти формулы не работают, приборы показывают не то, что от них ожидалось. На этих напряжениях измерения производятся другими приборами, например, осциллографом.

Еще один фактор, влияющий на показания вольтметра это частота. Например, цифровой мультиметр DT838 согласно своих характеристик меряет переменные напряжения в диапазоне частот 45…450Гц. Несколько лучше в этом плане выглядит старенький стрелочный тестер ТЛ4.

В диапазоне напряжений до 30В его частотный диапазон составляет 40…15000Гц (почти весь звуковой диапазон, можно пользоваться при настройке усилителей), но с увеличением напряжения допустимая частота падает. В диапазоне 100В это 40…4000Гц, 300В 40…2000Гц, а в диапазоне 1000В всего 40…700Гц. Вот тут уже бесспорная победа над цифровым прибором. Эти цифры также справедливы лишь для напряжений синусоидальной формы.

Хотя иногда и не требуется никаких данных о форме, частоте и амплитуде переменных напряжений. Например, как определить работает гетеродин коротковолнового приемника или нет? Почему приемник ничего не «ловит»?

Оказывается, все очень просто, если воспользоваться стрелочным прибором. Надо включить его на любой предел измерения переменных напряжений и одним щупом (!) коснуться выводов транзистора гетеродина. Если есть высокочастотные колебания, то они продетектируются диодами внутри прибора, и стрелка отклонится на некоторую часть шкалы.

Измерение тока. Для измерения тока в цепи амперметр 2 (рис. 332, а) или миллиамперметр включают в электрическую цепь последовательно с приемником 3 электрической энергии.

Для того чтобы включение амперметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, амперметры выполняют с малым внутренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление его можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им падением напряжения. Амперметр можно включать в цепь только последовательно с нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источнику 1, то через катушку прибора пойдет очень большой ток (сопротивление амперметра мало) и она сгорит.

Для расширения пределов измерения амперметров, предназначенных для работы в цепях постоянного тока, их включают в цепь параллельно шунту 4 (рис. 332,б). При этом через прибор проходит только часть I А измеряемого тока I, обратно пропорциональная его сопротивлению R А. Бо льшая часть I ш этого тока проходит через шунт. Прибор измеряет падение напряжения на шунте, зависящее от проходящего через шунт тока, т. е. используется в качестве милливольтметра. Шкала прибора градуируется в амперах. Зная сопротивления прибора R A и шунта R ш можно по току I А, фиксируемому прибором, определить измеряемый ток:

I = I А (R А +R ш)/R ш = I А n (105)

где n = I/I А = (R A + R ш)/R ш - коэффициент шунтирования. Его обычно выбирают равным или кратным 10. Сопротивление шунта, необходимое для измерения тока I, в n раз большего, чем ток прибора I А,

R ш = R A /(n-1) (106)

Конструктивно шунты либо монтируют в корпус прибора (шунты на токи до 50 А), либо устанавливают вне его и соединяют с прибором проводами. Если прибор предназначен для постоянной работы с шунтом, то шкала его градуируется сразу в значениях измеряемого тока с учетом коэффициента шунтирования и никаких расчетов для определения тока выполнять не требуется. В случае применения наружных (отдельных от приборов) шунтов на них указывают номинальный ток, на который они рассчитаны, и номинальное напряжение на зажимах (калиброванные шунты). Согласно стандартам это напряжение может быть равно 45, 75, 100 и 150 мВ. Шунты подбирают к приборам так, чтобы при номинальном напряжении на зажимах шунта стрелка прибора отклонялась на всю шкалу. Следовательно, номинальные напряжения прибора и шунта должны быть одинаковыми. Имеются также индивидуальные шунты, предназначенные для работы с определенным прибором. Шунты делят на пять классов точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5). Обозначение класса соответствует допустимой погрешности в процентах.

Для того чтобы повышение температуры шунта при прохождении по нему тока не оказывало влияния на показания прибора, шунты изготовляют из материалов с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом (константан, манганин, никелин и пр.). Для уменьшения влияния температуры на показания амперметра последовательно с катушкой прибора в некоторых случаях включают добавочный резистор из констан-тана или другого подобного материала.

Измерение напряжения. Для измерения напряжения U, действующего между какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр 2 (рис. 332, в) присоединяют к этим точкам, т. е. параллельно источнику 1 электрической энергии или приемнику 3.

Для того чтобы включение вольтметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, вольтметры выполняют с большим сопротивлением. Поэтому практически можно пренебрегать проходящим по вольтметру током.

Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с обмоткой прибора включают добавочный резистор 4 (R д) (рис. 332,г). При этом на прибор приходится лишь часть U v измеряемого напряжения U, пропорциональная сопротивлению прибора R v .

Зная сопротивление добавочного резистора и вольтметра, можно по значению напряжения U v , фиксируемого вольтметром, определить напряжение, действующее в цепи:

U = (R v +R д )/R v * U v = nU v (107)

Величина n = U/U v =(R v +R д)/R v показывает, во сколько раз измеряемое напряжение U больше напряжения U v , приходящегося на прибор, т. е. во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения вольтметром при применении добавочного резистора.

Сопротивление добавочного резистора, необходимое для измерения напряжения U, в п раз большего напряжения прибора Uv, определяется по формуле R д =(n- 1) R v .

Добавочный резистор может встраиваться в прибор и одновременно использоваться для уменьшения влияния температуры окружающей среды на показания прибора. Для этой цели резистор выполняется из материала, имеющего малый температурный коэффициент, и его сопротивление значительно превышает сопротивление катушки, вследствие чего общее сопротивление прибора становится почти независимым от изменения температуры. По точности добавочные резисторы подразделяются на те же классы точности, что и шунты.

Делители напряжения. Для расширения пределов измерения вольтметров применяют также делители напряжения. Они позволяют уменьшить подлежащее измерению напряжение до значения, соответствующего номинальному напряжению данного вольтметра (предельного напряжения на его шкале). Отношение входного напряжения делителя U 1 к выходному U 2 (рис. 333, а) называется коэффициентом деления . При холостом ходе U 1 /U 2 = (R 1 +R 2)/R2 = 1 + R 1 /R 2 . В делителях напряжения это отношение может быть выбрано равным 10, 100, 500 и т. д. в зависимости от того, к каким

выводам делителя подключен вольтметр (рис. 333,б). Делитель напряжения вносит малую погрешность в измерения только в том случае, если сопротивление вольтметра R v достаточно велико (ток, проходящий через делитель, мал), а сопротивление источника, к которому подключен делитель, мало.

Измерительные трансформаторы. Для включения электроизмерительных приборов в цепи переменного тока служат измерительные трансформаторы, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала при выполнении электрических измерений в цепях высокого напряжения. Включение электроизмерительных приборов в эти цепи без таких трансформаторов запрещается правилами техники безопасности. Кроме того, измерительные трансформаторы расширяют пределы измерения приборов, т. е. позволяют измерять большие токи и напряжения с помощью несложных приборов, рассчитанных для измерения малых токов и напряжений.

Измерительные трансформаторы подразделяют на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Трансформатор напряжения 1 (рис. 334, а) служит для подключения вольтметров и других приборов, которые должны реагировать на напряжение. Его выполняют, как обычный двухобмоточный понижающий трансформатор: первичную обмотку подключают к двум точкам, между которыми требуется измерить напряжение, а вторичную - к вольтметру 2.

На схемах измерительный трансформатор напряжения изображают как обычный трансформатор (на рис. 334, а показано в круге).

Так как сопротивление обмотки вольтметра, подключаемого к трансформатору напряжения, велико, трансформатор практически работает в режиме холостого хода, и можно с достаточной степенью точности считать, что напряжения U 1 и U 2 на первичной и вторичной обмотках будут прямо пропорциональны числу витков? 1 и? 2 обеих обмоток трансформатора, т. е.

U 1 /U 2 = ? 1 /? 2 = n (108)

Таким образом, подобрав соответствующее число витков? 1 и? 2 обмоток трансформатора, можно измерять высокие напряжения, подавая на электроизмерительный прибор небольшие напряжения.

Напряжение U 1 может быть определено умножением измеренного вторичного напряжения U 2 на коэффициент трансформации трансформатора n.

Вольтметры, предназначенные для постоянной работы с трансформаторами напряжения, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого напряжения могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током в случае повреждения изоляции трансформатора один выэод его вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора должны быть заземлены.

Трансформатор тока 3 (рис. 334,б) служит для подключения амперметров и других приборов, которые должны реагировать на протекающий по цепи переменный ток. Его выполняют в виде

обычного двухобмоточного повышающего трансформатора; первичную обмотку включают последовательно в цепь измеряемого тока, к вторичной обмотке подключают амперметр 4.

Схемное обозначение измерительных трансформаторов тока показано на рис. 334, б в круге.

Так как сопротивление обмотки амперметра, подключаемого к трансформатору тока, обычно мало, трансформатор практически работает в режиме короткого замыкания, и с достаточной степенью точности можно считать, что токи I 1 и I 2 , проходящие по его обмоткам, будут обратно пропорциональны числу витков? 1 и? 2 этих обмоток, т.е.

I 1 /I 2 = ? 1 /? 2 = n (109)

Следовательно, подобрав соответствующим образом число витков? 1 и? 2 обмоток трансформатора, можно измерять большие токи I 1 , пропуская через электроизмерительный прибор малые токи I 2 . Ток I 1 может быть при этом определен умножением измеренного вторичного тока I 2 на величину n.

Амперметры, предназначенные для постоянной работы совместно с трансформаторами тока, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого тока I 1 могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током в случае повреждения изоляции трансформатора один из зажимов вторичной обмотки и кожух трансформатора заземляют.

На э. п. с. применяют так называемые проходные трансформаторы тока (рис. 335). В таком трансформаторе магнитопровод 3 и вторичная обмотка 2 смонтированы на проходном изоляторе 4, служащем для ввода высокого напряжения в кузов, а роль первичной обмотки трансформатора выполняет медный стержень 1, проходящий внутри изолятора.

Условия работы трансформаторов тока отличаются от обычных. Например, размыкание вторичной обмотки трансформатора тока при включенной первичной обмотке недопустимо, так как это вызовет значительное увеличение магнитного потока и, как следствие, температуры сердечника и обмотки трансформатора, т. е. выход его из строя. Кроме того, в разомкнутой вторичной обмотке трансформатора может индуцироваться большая э. д. с, опасная для персонала, производящего измерения.

При включении приборов посредством измерительных трансформаторов возникают погрешности двух видов: погрешность в коэффициенте трансформации и угловая погрешность (при изменениях напряжения или тока отношенияU 1 /U 2 и I 1 /I 2 несколько изменяются и угол сдвига фаз между первичным и вторичным напряжениями и токами отклоняется от 180°). Эти погрешности возрастают при нагрузке трансформатора свыше номинальной. Угловая погрешность оказывает влияние на результаты измере-

ний приборами, показания которых зависят от угла сдвига фаз между напряжением и током (например, ваттметров, счетчиков электрической энергии и пр.). В зависимости от допускаемых погрешностей измерительные трансформаторы подразделяют по классам точности. Класс точности (0,2; 0,5; 1 и т. д.) соответствует наибольшей допускаемой погрешности в коэффициенте трансформации в процентах от его номинального значения.

Не каждый день пригодится такое умение, но как проверить напряжение в розетке мультиметром и что он должен при этом показывать, лучше узнать заранее. Кроме напряжения электронный тестер способен измерять силу тока и сопротивление проводов, для чего на приборе надо менять местами подключение штекеров. За их правильным подключением надо внимательно следить – если проводить измерения неправильно, то произойдет короткое замыкание.

Немного теории – как подключаются измерительные приборы

Электронный мультиметр объединяет в себе несколько различных устройств, которые по-разному подключаются к участку цепи. Чтобы им правильно пользоваться, надо знать чем измеряется напряжение, а чем сила тока и правильно производить подключение устройства.

Когда провода просто подключены к рабочему источнику питания, то на них появляется электрическое напряжение, которое можно померить между плюсом и минусом (фазой и нулем). Это значит, что напряжение можно измерить как при подключенной в сеть нагрузке (работающем приборе), так и без нее.

Электрический ток в проводах появляется только в том случае, когда цепь замкнута – только тогда он начинает течь от одного полюса к другому. При этом, измерения тока проводятся при подключении измерительного устройства последовательно. Это значит, что ток должен пройти через прибор и только в этом случае он сможет замерить его величину.

Разумеется, чтобы измерительный прибор не оказывал влияния на силу тока, которую он измеряет, сопротивление мультиметра должно быть как можно меньше. Соответственно, если прибор настроен на измерение силы тока, а по ошибке попробовать измерить им напряжение, то случится короткое замыкание. Правда и тут не все однозначно – измерение тока и напряжения современными электронными мультиметрами проводится с одинаковым подключением клемм к устройству.

Если вспоминать хотя бы поверхностные школьные знания про электрические цепи, то сформулировать правила измерения напряжения и силы тока можно следующим образом: напряжение одинаковое на параллельно подключенных участках цепи, а сила тока при последовательном соединении проводников.

Чтобы не было ошибок, перед измерениями надо обязательно сверяться с маркировкой, нанесенной возле контактов мультиметра и его переключателя режимов.

Маркировка шкалы мультиметра

У различных моделей устройств есть свои особенности, но основные возможности у них примерно одинаковые, особенно у бюджетных моделей.

Самые простые приборы могут измерять:

• ACV – переменное напряжение. Установка переключателя на это деление превращает мультиметр в тестер напряжения, обычно до 750 и 200 Вольт;
• DCA – силу постоянного тока. Здесь надо быть внимательным – на шкале многих бюджетных приборов есть предельные значения измерений 2000µ (микроампер) и 200m (миллиампер) и штекер надо оставлять в той же клемме, что и при измерении напряжения, а если измеряется сила тока до 10 Ампер, то штекер переставляется в другую клемму с соответствующим обозначением.
• 10A – сила постоянного тока от 200 миллиампер до 10 Ампер. Обычно на приборе нарисовано, что при включении этого режима надо переставить штекер.
• hFe – проверка транзисторов.
• >l – проверка целостности диодов, но чаще всего этой функцией пользуются как прозвонкой проводов.
• Ω – измерение сопротивления проводов и резисторов. Чувствительность от 200 Ом до 2000 килоом.
• DCV – постоянное напряжение. Чувствительность выставляется от 200 милливольт до 1000 Вольт.

К разъемам мультиметра обычно подключается два провода – черный и красный. Штекера на них одинаковые, а расцветка разная исключительно для удобства пользователя.

Измерение сопротивления провода

Это самый простой режим работы – по сути надо взять провод, для которого надо провести измерение сопротивления и прикоснуться щупами мультиметра к его концам.

Измерение сопротивления происходит благодаря источнику питания, который есть внутри мультиметра – прибор измеряет его напряжение и силу тока в цепи, а затем по закону Ома высчитывает сопротивление.

Нюансов при измерении сопротивления два:

1. Мультиметр показывает сумму сопротивлений измеряемого провода вместе с щупами, которыми к нему прикасаются. Если нужны точные значения, то изначально должны измеряться провода щупов и потом полученный результат вычитаться из общего.
2. Заранее сложно прикинуть примерное сопротивление провода, поэтому измерения желательно производить понижая чувствительность прибора.

Измерение напряжения

Обычно в таком случае стоит задача как измерить напряжение в розетке или просто проверить его наличие. Первым делам подготавливается сам тестер – черный провод вставляется в клемму в маркировкой COM – это минус или «земля». Красный вставляется в клемму, в обозначении которой есть буква «V»: зачастую она написана рядом с другими символами и выглядит это примерно так ֪– VΩmA. Возле колеса выбора режимов мультиметра показаны граничные значения – 750 и 200 Вольт (В разделе с маркировкой ACV). При измерении напряжения в розетке напряжение должно около 220 Вольт, поэтому переключатель ставится на деление 750.

Если в этом случае выставить предел измерения в 200 Вольт, то есть вероятность испортить прибор.

На экране устройства появятся нули – прибор готов к работе. Теперь надо вставить щупы в розетку и узнать какое в ней сейчас напряжение и есть ли оно вообще. Так как надо измерить напряжение в сети переменного тока, то нет никакой разницы каким щупом касаться фазы, а каким нуля – результат на экране будет неизменным – 220 (+/-) Вольт, если напряжение в розетке есть или ноль, если его там нет. Во втором случае надо быть осторожным – если в розетке нет ноля, то устройство просто покажет, что розетка нерабочая, поэтому чтобы не получить удар током, дополнительно не помешает проверить контакты пробником напряжения.

Точно так же проводится измерение постоянного напряжения – с той только разницей, что щупом с черным проводом надо касаться минуса, а красным – плюса (если они правильно подключены к клеммам прибора). Колесо выбора режимов, разумеется, надо перевести в область DCV.

Здесь есть такая же приятная особенность, как и при измерении переменного напряжения: на самом деле определяя напряжение можно черным щупом касаться как минуса, так и плюса – просто если перепутать полярность, то на экране устройства будет отображаться правильный результат, но со знаком минуса.

Это все особенности, которые надо знать перед тем как измерить напряжение мультиметром – в каком-либо устройстве или розетке.

Измерение силы тока

Хорошо если в хозяйстве есть сравнительно неплохой мультиметр, на котором есть метка A~ что показывает способность прибора измерять силу переменного тока. Если же используются бюджетные приборы для измерения, то, скорее всего, на его шкале будет только метка DCA (постоянный ток) и чтобы им воспользоваться нужно будет проводить дополнительные манипуляции, для которых придется вспоминать азы построения электроцепей.

Если прибор «умеет» мерять переменный ток «из коробки», то в целом все делается так же как и для измерения напряжения, но мультиметр подключается в цепь последовательно с нагрузкой, например, лампой накаливания. Т.е. от первого разъема розетки провод идет к первому щупу мультиметра – от второго щупа провод идет к первому контакту на цоколе лампы – от второго контакта цоколя провод идет ко второму разъему розетки. Когда цепь замкнута, то на экране мультиметра отобразится сила тока, которая протекает через лампу.

Подробно об измерении силы тока рассказано в этом видео:

Всегда надо хотя бы примерно представлять себе какую силу тока придется мерить, чтобы не испортить сам измеряющий прибор.

Измерение силы переменного тока вольтметром

Если надо измерить силу переменного тока, но под рукой есть только бюджетный мультиметр, в котором нет такого функционала, то выйти из положения можно воспользовавшись методом измерения с помощью шунтирования. Его смысл отображается формулой I = U / R, Где I – сила тока, которую нужно найти, U – напряжение на локальном участке проводника, а R – сопротивление этого участка. Из формулы понятно, что если R будет равно единице, то сила тока на участке цепи будет равна напряжению.

Для измерения надо найти проводник с сопротивлением 1 Ом – это может быть достаточно длинный провод от трансформатора или кусок спирали от электропечки. Сопротивление провода, т.е. его длина, регулируются тестером в соответствующем режиме проверки.

В итоге получится следующая схема (в качестве нагрузки лампа накаливания):

1. От первого разъема розетки провод идет к началу шунта, сюда же подключается один из щупов мультиметра.
2. Второй щуп мультиметра подсоединяется к концу шунта и от этой точки провод идет к первому контакту цоколя лампы.
3. От второго контакта цоколя лампы провод идет ко второму разъему розетки.

Мультиметр устанавливается в РЕЖИМ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ. По отношению к шунту он подключен параллельно, так что все правила соблюдены. При включении питания он будет показывать напряжение, равное силе тока, проходящего через шунт, которая в свою очередь такая же, как и на нагрузке.

Наглядно про этот метод измерения на видео:

Как итог

Даже бюджетный универсальный измерительный прибор – мультиметр позволяет проводить измерения в достаточно широких пределах, достаточных для домашнего использования. Но при покупке устройства надо хотя бы в общих чертах представлять себе для каких целей он будет использоваться – может будет правильнее немного переплатить но в результате иметь «на подхвате» тестер, способный выполнить любую поставленную перед ним задачу. Также перед его применением не помешает хотя бы в общих чертах освежить в памяти азы построения электрических цепей и использования в них электроизмерительных приборов.

Напряжение, или вольтаж, - это один из параметров электрического тока, показывающий разницу потенциалов на участке цепи. Он равнозначен электродвижущей силе, и фактически является одним из самых важных факторов для работы любых электроприборов.

Проверка напряжения - едва ли не самая частая операция, которую приходится выполнять в работе с электротехникой, вне зависимости от того, обслуживание это промышленной или бытовой (домашней) электросети. От его величины, а также от самого факта наличия, зависит, будет ли работать электроприбор, а также может ли он выйти из строя. В настоящее время для измерения напряжения используется аппарат под названием мультиметр.

Общее назначение

Это многофункциональное устройство, предназначенное для измерения целого ряда параметров электрического тока. Современный мультиметр, даже полупрофессиональный, предназначенный для бытовых нужд, способен измерять:

• переменное и постоянное напряжение;
• переменный и постоянный ток (силу тока);
• сопротивление.

Это минимальный перечень функций, которыми обладает даже самое простое устройство. Более сложные имеют функции прозвонки диодов и транзисторов, проверки целостности кабелей и т.п. Есть модели, которые позволяют мерить даже температуру.

Обычный бытовой прибор используется в сетях, напряжение которых не выше 1000 вольт постоянного или 750 вольт переменного тока. Чтобы измерить высокое напряжение, применяется только профессиональный высоковольтный мультиметр.

Устройство

Мы будем рассматривать цифровые мультиметры (они же — тестеры), поскольку. аналоговые (снабженные стрелкой и полем со шкалой значений) в настоящее время уже почти вышли из обихода.

На рынке существует большое разнообразие мультиметров, но у всех из них есть следующие элементы:

• цифровой дисплей;
• переключатель для выставления параметров;
• 2-4 гнезда для подключения контактных щупов;
• два контактных щупа.

Работает прибор от батарейки. Мы будем рассматривать самое простой мультиметр для домашнего использования, измеряющий три основных параметра - напряжение, силу тока и сопротивление электрического проводника. Подавляющее большинство других функций в быту не нужны, за исключением функции прозвонки. Но прежде чем переходить к измерению напряжения, разберемся, какое оно бывает.

Разница между переменным и постоянным напряжением

Правильнее будет говорить о разнице между постоянным и переменным током. Различные электроприборы работают либо от постоянного тока, либо от переменного.

Переменный означает, что направление движения электронов в проводнике меняется от плюса к минусу с заданной частотой, то есть меняется полярность тока. В бытовой розетке по стандарту действующее напряжение 220 В, (амплитудное 311 В) а частота изменения тока 50 Гц. От такого напряжения работают все включающиеся в розетку приборы.

А вот аккумуляторы и батарейки - это источники постоянного тока. Они всегда имеют фиксированные плюс и минус (полярность). Частота у постоянного тока, естественно, отсутствует.

Подключение штекеров

Перед тем, как измерять напряжение, мультиметр надо выставить в соответствующий режим. Для маркировки напряжения используются либо аббревиатуры ACV - переменное, и DCV - постоянное, либо пиктограммы, дополняющие обозначение V - вольтаж. Так, V~ — это переменное напряжение. V с горизонтальной длинной чертой, под которой три коротких - это постоянное.

Обратите внимание! Если на вашем приборе есть только обозначение V, значит, он способен автоматически определять, переменное оно или постоянное.
Кроме пиктограмм, обозначающих тип напряжения, на корпус мультиметра нанесены диапазоны величин. Большинство бытовых приборов имеют границы измерения до 750 В переменного и до 1000 В постоянного напряжения.

Перед тем, как замерить напряжение в розетке, на аккумуляторе или другом приборе, подключите к мультиметру щупы. Их два - черный и красный. А вот гнезд может быть и два, и три, и четыре - в зависимости от класса прибора.

Черный щуп - это либо минус, либо «ноль». Он всегда устанавливается в гнездо мультиметра, обозначенное COM. Красный щуп - либо плюс, либо «фаза». Для его подключения выбирается гнездо, снабженное соответствующей маркировкой. Если гнезд только 2 - вопрос снят, если больше - выбирайте то, около которого есть символ V.

Другие гнезда могут быть маркированы либо 10-20А, либо mA - соответственно для измерения силы тока (сверхбольшой или сверхмалой), либо иметь другие обозначения и соответственно предназначения. Гнездо для вольтажа всегда одно.

Установка режима измерения

После установки щупов переведите переключатель мультиметра на подходящий диапазон. Если измеряется напряжение в розетке, выбирайте пороговое значение в 750 ACV, если, к примеру, автомобильного аккумулятора - 20 или 200 DCV.

Обратите внимание! Всегда необходимо устанавливать предел измерения выше предполагаемого напряжения на источнике питания. Иначе вы рискуете сжечь прибор.

Есть правило: вольтаж измеряется путем параллельного подключения мультиметра, (тогда как сила тока - последовательно с нагрузкой). На практике это значит, что для того, чтобы померить напряжение в розетке, необходимо просто вставить в нее оба щупа мультиметра, каждый в свое гнездо. Где ноль, где фаза - не имеет значения.

Прибор показывает напряжение в тех пределах, на которые он отрегулирован. Таким образом, если выставить верхний порог в 750 В - увидите на экране значение в диапазоне 210-230 В. Или меньше, или больше, если скачок напряжения очень велик, но выше 750 В он подняться не может. Но если выставить порог в 200 В, то при фактической величине напряжения выше этой границы на экране появится цифра 1.

Учтите, что ровно 220 В в бытовой розетке бывает не всегда. Допустимы отклонения плюс-минус 10-15 В.

Проверка трехфазной линии осуществляется контактом двух щупов мультиметра с двумя шинами. Между ними должно быть 380 В, между одной шиной и землей будет 220 В (плюс-минус 15).

Проверка батарейки

Как измерить напряжение на батарейке? Необходимо черный щуп законтачить с ее минусом, красный - с плюсом, и выставить границу на 20 DCV. Для любых домашних батарей и аккумуляторов этого достаточно. Для сравнения: аккумулятор легкового автомобиля выдает 13-14 В. Только мощные аккумуляторы грузовиков предназначены для напряжения 24 В и выше.

Мультиметр покажет сохранившийся заряд батареи. Если вы перепутали полярность - ничего страшного, просто на экранчике появится знак «-».
Проверяя батарейку, учтите, что «свежая» батарейка должна выдавать значение вольтажа немного больше, чем указано на ее корпусе.

Прижимая щупы к контактам батарейки или аккумулятора, удара током бояться не стоит: порог чувствительности человеческой кожи - 36 В. Даже 20 В вы не почувствуете. Но проверяя ток во вскрытом электроприборе или розетке, нужно быть осторожным. Нельзя использовать щупы с поврежденной изоляцией.

Возможные неисправности

Если мультиметр перестал измерять напряжение или неправильно его показывает, проверьте другим тестером батарейку, размещенную внутри корпуса, или просто замените ее. Проверьте также, соответствует ли выставленный порог измерения напряжению, которое должно быть у объекта, который вы проверяете. Проверьте, верно ли установлен характер вольтажа - батарея не проверяется в режиме переменного, а розетка - постоянного напряжения.

Если не определяется параметр в одной розетке, проверьте его в другой. Если проблема возникла при проверке маленькой батареи - возможно, дело в плохом контакте щупа и клеммы.

Протестируйте устройство на различных объектах, априори работоспособных. Если мультиметр в принципе перестал измерять вольтаж, то либо иссяк его встроенный источник тока, либо повреждена плата управления, либо - наиболее частый случай - поврежден кабель одного из щупов. Следует осмотреть кабели на предмет разрыва, убедиться в хорошем контакте с гнездом. Если разрыв обнаружен - замените или почините провод, восстановив его целостность.

Если же никаких видимых причин потери работоспособности не обнаружено, то, скорее всего, мультиметр сгорел . Это могло произойти из-за попытки измерить завышенное напряжение, либо мощного сетевого скачка или других причин.

Метод измерения действующего значения напряжения с применением МК

• Электроника для начинающих

В данном посте речь пойдет об одном из вариантов измерения действующего значения напряжения и частоты сети на 8-ми битном микроконтроллере PIC18. При желании, можно метод перенести на любой другой МК, вплоть до всеми любимых ARDUINO (если они поддерживают реализацию прерываний по таймеру с частотой 5-10 кГц).
Также, рассматриваемый метод позволяет измерять частоту сетевого напряжения без использования внешних дополнительных средств, таких как компараторы. Но, при этом приходится жертвовать либо временными ресурсами МК, либо точностью измерения частоты.
Почему важно измерять действующее значение, а не какое либо другое, например, средневыпрямленное? Большинство “китайских” электронных вольтметров измеряют сетевое напряжение по средневыпрямленному значению. Методика измерения следующая: за период сетевого напряжения делается выборка из N значений амплитуды напряжения, результаты суммируются (без знака), делятся на N (усредняются), после чего полученный результат умножается на коэффициент

Указанный коэффициент определяет зависимость действующего значения синусоидального (!) сигнала от средневыпрямленного.
Такая методика измерения проста, не требует много ресурсов микроконтроллера (как временных, так и ресурсов памяти). Основным недостатком такой методики измерения является большая ошибка измерения на несинусоидальных сигналах.
Как все знают, изменение сигнала сетевого напряжения подчиняется синусоидальному закону (вследствие применения синхронных генераторов на электростанции), с частотой изменения сигнала 50 Гц (60 Гц). Однако, на практике вследствие влияния сторонних факторов (в основном подключение к сети мощных нелинейных нагрузок), а также применения инверторов с квазисинусоидальным выходным напряжением (см. рисунок), синусоида напряжения либо значительно искажается, либо заменятся прямоугольными импульсами. В таких случаях указанный выше метод измерения даст очень большую погрешность (например, в квазисинусоидальных инверторах выходное напряжение, измеренное “китайским» вольтметром может быть равно 180-200В, в то время как действующее напряжение будет равно 220В).

Например, напряжение у меня дома


Почему важно измерять именно действующее значение напряжения (тока)? Потому что именно действующие (еще называют его эффективными) значения напряжения и тока определяют работу электрической системы (грубо говоря, электронагреватель выделяет тепло в прямой зависимости от действующих значений напряжения и тока сети).
Действующее значение измеряемой периодической величины рассчитывается по формуле

Или после дискретизации получим

Т.е. нам нужно делать выборку ряда значений за период сетевого напряжения, просуммировать значения квадратов точек выборки, поделить на количество точек за период (при определении количества точек выборки не забываем про теорему Котельникова-Шеннона), и взять квадратный корень из полученного результата.
Вроде бы ничего сложного, если бы не но:
1) Каждый период точки выборки набираются заново, что увеличивает погрешность измерения;
2) В реальной сети, около нуля напряжения, могут встречаться как “нулевые полки”, так и повторные переходы через ноль напряжения, что значительно внесет погрешность в измерение.
С первым пунктом будем бороться измерением измерением суммы квадратов точек выборки за каждый полупериод, после чего суммируя n-ую сумму квадратов с (n+1)-й и откидывая (n-1)-ую.
Со вторым пунктом будем бороться введением зон нечувствительности по напряжению (введем границы напряжения перехода через ноль с положительной и отрицательной сторон) обычно 5-10 В в обе стороны, а также зон нечувствительности по частоте (ограничим допустимую частоту сигнала напряжения).

Таким образом, мы получим рассчитанное значение действующего значения сетевого напряжения за период на каждом полупериоде сетевого напряжения.

Частота напряжения вычисляется по формуле:

где Fд - частота дискретизации (для удобства и увеличения точности измерения частоты выбрана равной 10 кГц (период выборки - 100 мкс)).
Теперь рассмотрим структурную схему измерительной части (в реальной схеме следует добавить фильтрующие и защитные элементы).


Внимание! В данном методе измерения не реализована гальваническая развязка микроконтроллера от сети. Гальваноразвязка реализуется на стороне цифрового интерфейса передачи данных от микроконтроллера.
На входе установлен дифференциальный операционный усилитель с делителем напряжения, опертым на половину опорного напряжения (2,048 В). Поскольку, для уменьшения размеров лучше применять маломощные резисторы, устанавливаем их минимум 3 шт. равными по сопротивлению - чтобы увеличить суммарное пробивное напряжения резисторов. При этом нужно подсчитать мощность потерь при максимальном входном напряжении (P=U^2/R) - чтобы не превышала допустимой мощности резисторов. Плечи дифференциального усилителя тоже делаем равными. Тогда, напряжение в точке 1 рассчитывается по формуле:

А напряжение в точке 1 будет иметь вид:


Также, половина опорного напряжения подается на один из каналов АЦП. Это позволяет в постоянном режиме (например, один раз за период) определять положение уровня нуля измеряемого напряжения.
Т.е. мы обошлись операционным усилителем с однополярным питанием, и наш входной сигнал в точке 1 изменяется от 0 до Uоп. Такой способ дает достаточно точные результаты, по сравнению, например, с выпрямлением напряжения с помощью диодов.
Расчет делителя и коэффициента АЦП сводится к следующему:


где A и В - замеры АЦП (за вычетом измеренного значения нуля сигнала - AN1) для текущего и предыдущего полупериодов; N1, N2 - число замеров для текущего и предыдущего полупериодов; Nadс - разрядность АЦП; U"оп - опорное напряжение за вычетом зон нелинейности (нечувствительности) операционного усилителя (обычно 0,6 В).
Расчет делителя удобно проводить считая сигнал постоянным, приведенным к амплитуде синусоидального, а не синусоидальным. Тогда действующее значение сигнала равно амплитудному и равно значению каждого замера.
Например, нужно рассчитать делитель для измерения максимального значения 420В переменного тока:


Сопротивление Ra выбирается в диапазоне от 500 кОм до 1500 кОм. По выбранному сопротивлению Ra рассчитывается Rb.
В итоге, алгоритм расчета действующего значения напряжения и частоты примет вид:

При этом часть затратных расчетов (деление, извлечение корня) можно перенести из прерывания в основную программу.

При расчете действующих значений на 8-ми битном МК целесообразно пользоваться целочисленными методами (с использованием масштабных коэффициентов) не прибегая к расчетам с плавающей запятой, а также упрощать по возможности арифметические операции (деление, изъятие квадратного корня и проч.). Это значительно экономит ресурсы МК.