Woltomierz (amperomierz) panelowy LED (ICL7107)

---

Woltomierz zmontowano na dwóch płytkach drukowanych: głównej i wyświetlacza, połączonych ze
sobą lutami pod kątem prostym (stąd nazwa: woltomierz panelowy). Podłączenie poszczególnych
segmentów wyświetlacza wykonano kabelkami. Sercem woltomierza jest układ U1, który zapewnia
pole odczytowe 3 i 1/2 cyfry (maksymalne wskazanie "1999"), rezystancję wejściową powyżej 10M,
dokładność pomiaru +/- 0.1% wskazywanej wartości i +/- 1 najmniej znaczącej cyfry oraz szybkość
pomiaru 3x/s. Przekroczenie dodatniego zakresu pomiarowego jest sygnalizowane wyświetleniem
"1", a ujemnego "-1" na najbardziej znaczącej cyfrze (wyświetlacz LED4). Do prawidłowej pracy
woltomierza niezbędne jest ujemne napięcie zasilania -5 V/5 mA, którego dostarcza scalona
przetwornica U2. Oba układy scalone umieszczono w podstawkach.
Po zmontowaniu woltomierza można zewrzeć nóżkę "TEST" (pin 37) układu U1 do plusa zasilania,
aby sprawdzić wyświetlacz (powinien wskazywać "-1888"). Podczas świecenia 24 segmentów
i 1 kropki zielonego wyświetlacza, pobór prądu wyniósł 160 mA (w tym układ U1 pobierał 19 mA).
Pobór prądu przez wyświetlacz można obniżyć, dołączając jedną (lub kilka połączonych szeregowo)
uniwersalną diodę prostowniczą 1A (np. 1N4001), szeregowo z anodami wyświetlacza. Zmniejszy
to jego jasność, ale jednocześnie obniży się moc tracona w układzie U1 i jego temperatura,
co wpłynie na stabilność wskazań.
W modelowym woltomierzu użyto 2 podwójnych, 7-segmentowych wyświetlaczy LED (z kropką)
ze wspólną anodą, o rozkładzie wyprowadzeń pokazanym na rysunku 1. Układ U1 nie obsługuje
kropek (punktów) dziesiętnych na wyświetlaczu, dlatego muszą one być wybierane ręcznie
za pomocą zworki J1 (w zależności od zakresu pomiarowego).
Woltomierz jest bardzo czuły, dlatego na zakresach 200 mV i 2 V przy niepodłączonych końcówkach
pomiarowych, wskazuje różne zmieniające się wartości pola elektromagnetycznego. Po zwarciu
końcówek pomiarowych wskazanie powinno wynosić "000" (autozerowanie), jednocześnie przez
ok. 50% czasu powinien pojawiać się i znikać znak "-" minus przy najbardziej znaczącej cyfrze.
Jeśli nóżki "INLO", "COM" i "REFLO" (pin 30, 32 i 35) są połączone (tak jak na schemacie), to wolto-
mierz mierzy tylko, tzw. napięcia pływające (napięcie mierzone musi być całkowicie oddzielone od
napięcia zasilającego woltomierz). Natomiast po odłączeniu nóżki "INLO" od "COM" i podłączeniu jej
do masy zasilania woltomierza, można mierzyć napięcia względem tej masy.
Dokładność pomiaru zależy w dużym stopniu od jakości zastosowanych elementów. Kondensatory
C3, C4 i C6 powinny być styrofleksowe (KSF), ewentualnie poliestrowe (MKSE, MKT). Nie mogą
to być kondensatory ceramiczne. Najważniejszy jest kondensator całkujący C3, który powinien mieć
małą stratność i niskie napięcie resztkowe. Aby sprawdzić jego jakość, należy połączyć nóżki
"INHI" i "REFHI" (pin 31 i 36) układu U1, co spowoduje że woltomierz będzie mierzył własne napięcie
referencyjne (ustawienie potencjometru P1 nie ma znaczenia). Jeśli wskazanie wynosi "998", "999"
lub "1000" (ideał), to kondensator C3 jest dobry.
Podstawowe zakresy pomiarowe woltomierza (200 mV i 2 V) można rozszerzyć stosując rezystor Rx,
który razem z rezystorem R2 utworzy dzielnik napięcia. Możliwe do uzyskania w ten sposób zakresy
pomiarowe przy danych wartościach elementów R1/C4/Rx, przedstawia tabela 1.
Kalibracja woltomierza polega na ustawieniu potencjometrem P1, odpowiedniego napięcia pomiędzy
nóżkami "REFLO" i "REFHI" (pin 35 i 36) układu U1. Dla wartości elementów R1/C4 = 47k/470n
(zakres podstawowy 200 mV), napięcie to powinno wynosić dokładnie 100.0 mV. Natomiast dla
R1/C4 = 470k/47n (zakres 2 V), napięcie to ma mieć wartość 1.000 V. Drugą metodą kalibracji jest
równoległe podłączenie woltomierza kalibrowanego i fabrycznego do napięcia wzorcowego (np.
baterii 1.5 V dla kalibracji zakresu 2 V), które powinno mieć wartość jak najbliższą maksymalnemu
wskazaniu na danym zakresie. Następnie potencjometrem P1 ustawia się identyczne wskazanie,
jak na woltomierzu fabrycznym.
Układ przedstawiony na schemacie może także pracować jako amperomierz. W takim przypadku
usuwa się rezystor R2 (zworka), a rezystor Rx (odpowiedniej mocy) tworzy bocznik, na którym odkłada
się napięcie proporcjonalne do przepływającego prądu. Zakresy pomiarowe przy danych wartościach
elementów R1/C4/Rx, przedstawia tabela 2. Pomiar dużych prądów rzędu kilku amper może trwać
tylko sekundy, ponieważ w rezystorze Rx wydziela się znaczna moc strat, która może go uszkodzić.
Kalibracja polega na szeregowym połączeniu amperomierza kalibrowanego i fabrycznego oraz
włączeniu ich w gałąź płynącego prądu wzorcowego, który powinien mieć wartość jak najbliższą
maksymalnemu wskazaniu na danym zakresie. Następnie potencjometrem P1 ustawia się
identyczne wskazanie, jak na amperomierzu fabrycznym.
Kalibrację należy wykonywać kilka minut po włączeniu miernika. Po skalibrowaniu miernik powinien
pracować przez ok. 48 godzin (wygrzewanie), a następnie ponownie dokonuje się jego kalibracji.
Rezystory R2 i Rx mogą mieć tolerancję 5%, ponieważ niedokładności podziału w dzielniku (wolto-
mierz) lub napięcia na boczniku (amperomierz), zostaną wyeliminowane podczas kalibracji. Jednak
zalecane jest użycie rezystorów o tolerancji 1% lub 2%, gdyż mają one lepszy temperaturowy
współczynnik rezystancji (TWR) i wyższą stabilność w czasie.
Oczywiście opisany woltomierz/amperomierz mierzy tylko napięcia/prądy stałe (DC).

R1 C4 Rx ZAKRES 47k 470n --- 100k 10k 1k 200 mV 2 V 20 V 200 V 470k 47n --- 100k 10k 1k 2 V 20 V 200 V 2 kV Tabela 1

Rysunek 1

R1 C4 Rx ZAKRES 47k 470n 1k / 0.125W 100 / 0.125W 10 / 0.125W 1 / 0.125W 0.1 / 0.5W 0.01 (*) 200 uA 2 mA 20 mA 200 mA 2 A 20 A 470k 47n 1k / 0.125W 100 / 0.125W 10 / 0.5W 1 / 5W 0.1 / 50W 2 mA 20 mA 200 mA 2 A 20 A Tabela 2

(*) - w multimetrach uniwersalnych, jako rezystor 0.01 stosuje się drut miedziany, o długości 5 cm i średnicy 1.7 mm.
       Pomiar dużego prądu do 20 A nie może trwać dłużej niż 10 s, po czym należy zrobić 15 minut przerwy (stygnięcie).

---

SPIS ELEMENTÓW:

Rezystory: R1 - 470k R2 - 1M/1% R3 - 100k R4 - 1k R5 - 470 Rx - opcjonalny 1%

Potencjometry: P1 - 1k

Kondensatory: C1 - 10u/10V C2, C9 - 100u/10V C3 - 220n C4 - 47n C5 - 10n C6, C8 - 100n C7 - 100p

Układy scalone: U1 - ICL 7107 U2 - ICL 7660 Wyświetlacze: LED1-LED4 - wyświetlacz LED 7-segmentów z kropką, wspólna anoda (np. 2x podwójny zielony)

Inne:
DIP8, DIP40 - podstawka zwykła
J1 - zworka 3 pozycje po 2 piny