Статья посвящена детальному разбору систем внутренней защиты цифровых мультиметров, обеспечивающих безопасность устройства и пользователя при ошибках измерения или скачках напряжения. Автор наглядно, с помощью схем и фотографий печатных плат, объясняет разницу между качественными и дешевыми приборами, подробно рассматривая работу входных резисторов, PTC-термисторов, транзисторных пар и защитных диодных мостов.
Напряжение.
Какое напряжение должен выдерживать мультиметр? Самое очевидное — это напряжение выше выбранного диапазона, это постоянно происходит с автоматическими мультиметрами. Затем есть переменный ток, когда выбран постоянный, и наоборот. Еще один очевидный момент — входной резистор должен выдерживать входное напряжение. В реальных условиях также встречаются так называемые переходные процессы, то есть короткие, но очень высокие скачки напряжения.Давайте начнем с входного напряжения, насколько оно высокое? Мультиметр может быть рассчитан на 1000 В постоянного/переменного тока, означает ли это, что входное напряжение может достигать 1000 В? В расчетах мощности — да, но не для максимального напряжения: синусоидальный сигнал имеет в 1,41 раза более высокое напряжение дважды за цикл. Именно поэтому существуют спецификации 1000 В постоянного тока / 600 В / 650 / 700 В переменного тока (это означает, что пиковое напряжение переменного и постоянного тока примерно одинаково). Входной резистор должен выдерживать 1000 В или, возможно, 1500 В, их довольно сложно найти и они довольно дороги.
Здесь используются два высоковольтных резистора, в остальных случаях — несколько резисторов.
Но что насчет микросхемы, получит ли она 1000 В или 1500 В на входном контакте, если напряжение находится в неподходящем диапазоне? Ответ очень прост: большинство микросхем имеют защиту на входных контактах, которая может выдерживать несколько миллиампер без повреждения микросхемы. При использовании резистора 10 МОм входное напряжение 1500 В обеспечит максимальный ток 0,15 мА, с чем микросхема легко справится, а резистор должен выдерживать всего 0,1 Вт при 1000 В, что также легко достигается.В принципе, измерительному прибору не требуется дополнительная защита для работы с постоянным/переменным напряжением 1000 В, если входной резистор 10 МОм способен это выдержать.
В реальных условиях также присутствуют переходные процессы: измерительный прибор с маркировкой CAT III 1000 В должен выдерживать кратковременное напряжение 8000 В, что составляет всего 0,8 мА с указанным выше резистором, и микросхема мультиметра справится с этим без проблем, но цепочка резисторов может не выдержать напряжения. Также могут возникнуть проблемы с переключателем диапазонов и напряжением 8000 В, искры, возникающие в переключателе диапазонов, — это нежелательно.
Для ограничения входного напряжения в мультиметрах используется эта схема. Значения резистора и PTC-термистора могут немного отличаться, но составляют около 1 кОм (в некоторых мультиметрах могут использоваться два PTC-термистора последовательно без резистора, а в более дешевых мультиметрах резистор 1 кОм может отсутствовать). Два варистора будут ограничивать максимальное напряжение (их напряжение также будет меняться в зависимости от мультиметра), и если импульс высокого напряжения длинный, PTC-термистор увеличит сопротивление для уменьшения тока (в некоторых мультиметрах вместо варисторов используются искровые разрядники). Это означает, что внутренняя конструкция (резистор 10 МОм и переключатель диапазонов) должна выдерживать около 2000 В, тогда мультиметр будет безопасен. В некоторых мультиметрах входной резистор 10 МОм не защищен этой схемой, и при использовании качественного резистора в этом нет необходимости.
Фотографии см. в разделе «Ом», выше представлена лишь половина защиты входного напряжения, присутствующей в мультиметрах.
Малые напряжения/Частота/Температура.
Для этих измерений измерительный прибор может использовать ту же конфигурацию входа, что и выше, но большинство приборов переключаются на другую конфигурацию входа с более низким входным сопротивлением, обычно около 900 кОм, но некоторые приборы используют другие значения. Это хорошо работает с низким напряжением, но что произойдет, если измерительный прибор подключен к сети или к сети с более высоким напряжением через входной резистор 900 кОм?
При 1000 В 900 кОм означает 1,1 мА на микросхеме, это не проблема, но как насчет мощности на резисторе? 1000 В 900 кОм — это 1,1 Вт, не безнадежное количество мощности, но резистор должен быть достаточно мощным, чтобы выдерживать это напряжение, а также достаточно мощным, чтобы выдерживать 1000 В.
Вот два примера резистора 900 кОм, предназначенного для работы с высоким напряжением и некоторой мощностью, но он встречается не во многих измерительных приборах. Если производитель хочет создать хороший измерительный прибор, он часто использует другое решение.
Это не обычная транзисторная связь, транзисторы используются в качестве стабилитронов.
Вот вольт-амперная характеристика для одного транзистора (BC547), он работает как стабилитрон при напряжении около 9,6 В. Напряжение стабилитрона не будет очень точным и будет зависеть от используемого транзистора; у транзисторов, используемых в мультиметрах, обычно гораздо более низкое напряжение стабилитрона (ограничение составляет около 2,5–3 В).
Развертка напряжения на паре показывает, что ток будет уменьшаться, когда напряжение станет слишком высоким в любом направлении.
Расширенная шкала тока показывает, что ток утечки очень мал и намного лучше, чем у обычных стабилитронов.Вернемся к схеме. Эта пара означает, что резистор 900 кОм будет испытывать напряжение менее 10 В, это также можно использовать с гораздо меньшими значениями резисторов без каких-либо проблем. Но что насчет транзисторов? При входном напряжении 1000 В ток будет составлять около 0,5 А, пока PTC-термистор не нагреется; многие транзисторы могут выдерживать 0,5 А в течение короткого времени. Когда терморезистор PTC нагревается, ток значительно уменьшается (максимальный ток в установившемся режиме будет ниже 30 мА при мощности PTC 1 Вт). Скачок напряжения 8000 В немного опаснее, в этом случае пиковый ток составит 4 А
.
Обычно их очень легко обнаружить на печатной плате, и их может быть несколько пар.
Выше речь шла о хорошем способе защиты входного напряжения, в дешевых мультиметрах это делается не так. Это что-то вроде описанного выше, PTC-термистор и клещи по-прежнему подключены, но резистор 900 кОм может быть не защищен ими. Такая конфигурация предназначена для максимально упрощения переключения диапазонов, поскольку она обеспечивает согласование сопротивления/целостности цепи/диода/емкости
.
На фотографии показан резистор 900 кОм или 910 кОм (в данном случае R25: обозначен 914), это не совсем та схема, которая может выдерживать высокое напряжение или любую мощность (линейка с миллиметровыми делениями). Он может выдержать 250 В переменного тока в течение короткого времени, но плохо справится с более высокими напряжениями или переходными процессами. Резистор такого размера обычно рассчитан на 150 В! Такая конфигурация входа используется во многих дешевых мультиметрах.
Сопротивление/Проверка целостности цепи/Диод/Емкость.
В этих диапазонах возникает еще одна проблема: измерительный прибор должен подавать некоторый ток на измерительный вывод, и этот ток должен быть достаточно высоким для надежного измерения низкоомных резисторов или проверки светодиодов, обычно это около миллиампера. В то же время он должен выдерживать напряжение, подключенное к щупам, предпочтительно к сети или выше. Хороший измерительный прибор может выдерживать входное напряжение более 1000 В в диапазоне Ом.
Для такой защиты необходимы два терморезистора с положительным температурным коэффициентом (PTC): один для подачи тока, а другой для измерения напряжения. Таким образом, любые потери в PTC не повлияют на точность (при условии, что схема может обеспечить достаточное напряжение).
Что касается защиты от входного напряжения, то на обоих цепях всегда используются варисторы (MOV). Почему так? Вероятно, это сделано для предотвращения переходных процессов до 8000 В внутри переключателя диапазона; с варисторами напряжение ограничивается до уровня ниже 2000 В. Эти варисторы не обеспечивают дополнительной защиты при выборе диапазона, их напряжение ограничивается парами транзисторов.
Вот несколько примеров: в одном измерителе резисторы на 1 кОм заменены на PTC-термисторы, в двух других есть режим LowZ с одним и двумя PTC-термисторами. Также есть измеритель, где варисторы заменены искровыми разрядниками. Примечание: PTC-термисторы обычно имеют термоусадочную трубку.
В дешевых измерителях они сделаны иначе и гораздо менее безопасны. PTC-термистор используется только на токовом выходе и без последовательного резистора на 1 кОм, а 900 кОм — это то же самое, что и в милливольтах/частоте/температуре (см. выше). Обычно сопротивление PTC-термистора составляет от 0,5 кОм до 1,5 кОм.
И несколько примеров, где PTC-термистор и пара транзисторов установлены рядом друг с другом. Выше описаны наилучшие и наихудшие способы защиты, существует множество измерителей, которые находятся где-то посередине.
Ток
Входы тока должны быть защищены от небольших перегрузок, которые могут повредить шунтирующие резисторы, а также от ошибок пользователя, таких как прямое подключение диапазона тока к сетевому напряжению.В текущих режимах для защиты измерительного прибора можно использовать предохранитель, но у него есть некоторые ограничения.
Первое — это диапазон мкА с резистором 100 Ом, в котором используется тот же предохранитель, что и в диапазоне миллиампер. С предохранителем на 0,2 А это означает 4 Вт на резисторе, а что насчет диапазона 0,6 А? На практике это будет значительно больше, поскольку предохранитель срабатывает не точно при номинальном токе и не очень быстро.
Решением часто является использование диодного моста с дополнительным диодом посередине для закорачивания. Он может быть построен с использованием моста и одного дополнительного диода или с 5 диодами. Это означает наличие 3 диодов с любой полярностью, которые будут ограничивать напряжение до безопасного значения для шунта мкА. Этот мост обычно охватывает как шунт миллиампер, так и шунт мкА, но не всегда.
При тщательной разработке измерительного прибора характеристики перегрузки диодов должны быть согласованы с характеристиками резисторов и предохранителя, чтобы гарантировать, что предохранитель сработает раньше диодов или резисторов при любом токе перегрузки, который может достигать 1000 А.
Вот развертка напряжения мостовой схемы защиты с пятью диодами, изготовленной с использованием (дешевых) диодов 1N4007; она защитит шунт от перепадов напряжения более нескольких вольт.
Однако эти диоды не идеально подходят для измерения очень малых токов, присутствует небольшой ток утечки, зависящий от напряжения (у 6000-канального измерителя обычно напряжение на шунте составляет 0,6 В при максимальной нагрузке). Этот ток сильно зависит от температуры, то есть в очень жаркий день точность измерения в мкА может немного снизиться.
Ничто не говорит о том, что нужно ровно пять диодов, можно использовать шесть, но для четырех требуется измеритель с очень низким напряжением нагрузки (возможно, 2000-канальный измеритель). Есть некоторые измерители, которые используют два антипараллельных диода, опять же, они должны иметь очень низкое напряжение нагрузки.
Вот несколько примеров мостовой схемы защиты с шунтированием, один из них с более крупным диодом в центре (он должен выдерживать вдвое больший ток, чем остальные диоды), и один с реальным корпусом диодного моста.
Альтернативный способ — использование TVS-диода, который часто встречается в более дешевых мультиметрах. Он может работать для кратковременных переходных процессов, но может не защитить резистор, шунтирующий ток в микроамперах, и TVS-диод от перегрева при более длительных перегрузках.
Вот несколько примеров TVS-диодов.
В мультиметрах используются предохранители разных размеров, но не все подходят для этой задачи. Все они могут защитить от небольшого перегрузки по току при работе с низким напряжением, но для предотвращения ошибки пользователя, например, когда щуп находится в токовых разъемах при попытке измерить высокое напряжение, требуется гораздо более мощный предохранитель. Предохранители всегда быстродействующие.
Для работы с высоким напряжением и большим током предохранитель должен быть рассчитан на то же напряжение, что и мультиметр, и должен быть способен отключать очень большие токи, это означает большой керамический предохранитель HRC (HRC означает высокую разрывную способность). Это особенно важно при работе с распределением электроэнергии или в промышленных условиях, поскольку питание после обычной сетевой розетки не так опасно.
Эти предохранители слишком малы (10 мм и 20 мм в длину) и не защитят измерительный прибор и пользователя от коротких замыканий высокой энергии, но подойдут для использования на стенде с низким напряжением, а также в сети, если предохранитель не слишком большой.
Это высококачественные предохранители для мультиметров (38 мм в длину), способные отключать практически любой ток до 1000 В, но они обычно довольно дороги и никогда не используются в дешевых измерительных приборах.
Иногда в измерительных приборах вместо предохранителя для измерения тока в миллиамперах используются терморезисторы с высоким сопротивлением (PTC), это опять же в основном для использования на стенде и при низком напряжении. Преимущество заключается в том, что они автоматически восстанавливаются после перегрузки, недостаток – в том, что они часто имеют более высокое сопротивление, чем обычные предохранители, то есть измерительный прибор будет испытывать более высокое напряжение нагрузки.Когда предохранитель перегорает, входной ток должен выдерживать высокое напряжение, в соответствии с требованиями CAT, оно должно быть вдвое больше номинального. Это означает определенное расстояние от предохранителей и клемм тока до других элементов измерительного прибора, например, до пазов на печатной плате и пластиковых экранов.
Одна из особенностей — это измерительные приборы с датчиком напряжения на входных клеммах, который может быть оптическим, механическим или электрическим, с пазовыми клеммами.
Оптический датчик.
Механический датчик.
Две электрические системы измерения, одна с резисторами 5 МОм для блокировки любого напряжения/тока от остальной части мультиметра. В первой системе измерения прибор, вероятно, сгорит, если предохранитель перегорит при измерении высокого напряжения.
Стандарты того, какие большие и мощные переходные процессы можно ожидать в сети переменного тока в разных местах. Места разделены на разные группы (некоторые стандарты не включают CAT I), они примерно следующие:
- КАТЕГОРИЯ I: Электронное и другое оборудование после сетевого трансформатора.
- КАТЕГОРИЯ II: Все, что подключено к обычным бытовым розеткам.
- КАТЕГОРИЯ III: Промышленные и другие установки с высоким током.
- КАТЕГОРИЯ IV: Распределительные и наружные проводники.
Помимо типа помещения, указывается и напряжение, которое может выдержать измерительный прибор в данном типе помещения.
В таблице приведены допустимые значения напряжения и уровни переходных процессов, которые должен выдерживать измерительный прибор при указании этого напряжения. Обратите внимание, что для категорий CAT III 1000 В и CAT IV 600 В требуются одинаковые параметры переходных процессов, поэтому на измерительных приборах часто указываются оба типа.