Praktická elektronika/Měřící a testovací obvody

Multimetr

Tyto obvody slouží k měření elektrických a neelektrických veličin a k testování součástek a dalších obvodových prvků. Jsou tvořeny jen několika málo součástkami, jsou tedy jednoduché na konstrukci a vhodné pro začátečníky. Jsou rovněž velice užitečné a praktické při práci v elektrolaboratoři i jinde. Přestože mnohé z nich lze nahradit multimetrem, někdy může být dobré mít zkoušečku jako alternativní možnost.

Zkoušečka vodivosti

Schéma zkoušečky vodivosti

Tento obvod funguje jako jednoduchý tester vodivosti, kdy při spojení měřících hrotů A a B dojde k signalizaci zvonkem Z. Ten je spínán tranzistorem Q, rezistor R₁ omezuje proud do jeho báze a rezistor R₂ funguje spolu s odporem měřeného obvodu R_X jako napěťový dělič pro nastavení odporu, při kterém již dojde k signalizaci. V tomto případě je tato mezní hodnota cca 500Ω. Pokud je odpor R_X vyšší, napětí na R₂ je nižší než prahová hodnota tranzistoru (cca 0,8) a tranzistor Q zůstává uzavřený; zvonek Z tak nezvoní. Pokud je však R_X nižší, dojde přes rezistory R₁ a R₂ k otevření tranzistoru Q a tím sepnutí zvonku Z.

Při dimenzování jako první vybereme signalizační prvek, tedy zvonek Z. Volíme piezoelektrický bzučák typu BPT-24CX s následujícími parametry:

• $U_{N}=3-20V$
• $I=15mA$
• $f=3,2kHz$
• $L_{P}=75dB$

Zkoušečka v průběhu konstrukce

Jako zdroj volíme 9V baterii a následně vybereme vhodný tranzistor. Musí být dodrženo, že proud odebíraný zvonkem je menší než maximální kolektorový proud a napětí zdroje je menší než maximální napětí mezi kolektorem a emitorem. Zde byl zvolen BC 547 s následujícími parametry:

• $I_{CMAX}=100mA>15mA$
• $U_{CEMAX}=45V>9V$
• $I_{BMAX}=5mA$
• $U_{BE}=0,7-0,9V$

Hotová zkoušečka zabudovaná do krabičky

Zvonek a tranzistor jsou následně doplněny o dva rezistory. R₂ slouží k nastavení velikosti odporu R_X, při které dojde k signalizaci. Pokud je tranzistor uzavřený, do jeho báze neteče žádný proud, nevzniká tak žádný úbytek na R₁ a napětí na bázi je tak stejné jako napětí jako na odporu R₂. Prahovou hodnotu odporu R_X pak stanovíme podle prahové hodnoty napětí U_BE podle vztahu pro dělič napětí:

• $U_{BE}=U_{R2}=U_{N}{\frac {R_{2}}{R_{X}+R_{2}}}$
• $R_{2}=R_{X}{\frac {U_{BE}}{U_{N}-U_{BE}}}=500\cdot {\frac {0,7}{9-0,7}}=42\rightarrow$ volíme 47 Ω

Ztrátový výkon musíme nadimenzovat pro případ nejvyššího napětí, tedy kdy jsou hroty zcela spojeny (R_X = 0) a na odporu R₂ je plné napětí zdroje.

• $\Delta P_{2}={\frac {{U_{N}}^{2}}{R_{2}}}={\frac {81}{47}}=1,7\rightarrow$ volíme 2 W

Odpor je relativně malý, proto protéká značný proud a rezistor musí mít vyšší ztrátový výkon. Zvýšením odporu by došlo ke zvýšení limitní hodnoty R_X a zkoušečka by tak i vyšší odpory signalizovala jako vodivé.

V tomto stavu vypočteme také odpor a ztrátový výkon rezistoru R₁, který chrání bázi tranzistoru před příliš velkým proudem:

• $R_{1}\geq {\frac {U_{N}-U_{BE}}{I_{BMAX}}}={\frac {9-0,9}{0,005}}=1620\rightarrow$ volíme 1,8 kΩ
• $\Delta P_{1}={\frac {({U_{N}}-U_{BE})^{2}}{R_{1}}}={\frac {65,61}{1800}}=0,036\rightarrow$ volíme 0,25 W.

Seznam součástek

• U_N = 9V (baterie)
• R₁ = 1,8 kΩ/0,25W
• R₂ = 47Ω/2W
• Q - BC 547
• Z - BPT-24CX
• A, B - měřící hroty
• K - vypínač

Správnou funkci zkoušečky lze ověřit pomocí potenciometru o odporu cca 1-2,2 kΩ, který se připojí k měřícím hrotům. Poté se nastaví do polohy, kdy dochází zapnutí/vypnutí signalizace. Když poté potenciometr odpojíme a změříme ohmmetrem, hodnota by měla odpovídat zadané prahové hodnotě R_X (500 Ω).

$R_{X}[\Omega ]$	$Z$
$>500$	OFF
$\leq 500$	ON

Netestovat obvody pod napětím!

Zkoušečka baterie

Tento obvod slouží pro jednoduché otestování 9V baterie. Jde o jednoduchý komparátor, který porovnává vstupní napětí s napětím stabilizovaným pomocí Zenerovy diody. Testovaná baterie je připojena na svorky a pokud je její napětí u_X větší než cca 4 V, dojde přes odpor R₂ k přivedení záporného pólu na bázi a otevření tranzistoru Q, čímž je přes odpor R₂ sepnuta dioda LED₂, která tak svítí. Dioda LED₁ nesvítí, protože má vyšší prahové napětí a jelikož otevřená dioda LED₂ udržuje konstantní napětí nižší, zůstává zavřená. Zavřená je rovněž zenerova dioda ZD, která začíná pracovat až při napětí cca U_ZD + 1,5 V. Při překročení tohoto napětí dojde k přivedení kladného napětí na bázi tranzistoru Q, ten se tak uzavře a dioda LED₂ zhasne. Vlivem toho se dioda LED₁ rozsvítí.

Schéma zkoušečky

Seznam součástek

• Q - BC 557
• R_1,2 = 10kΩ/0,25W
• LED₁ - 2,6V/20mA/5mm
• LED₂ - 1,8V/20mA/5mm
• ZD - 6,2V/1,3W
• X_1,2 - měřící hroty

Stav	$u_{X}[V]$	LED1 (zelená)	LED2 (červená)
Poškozená baterie	$<4$	OFF	OFF
Vybitá baterie	$4-7,5$	OFF	ON
Nabitá baterie	$>7,5$	ON	OFF
Porucha zkoušečky	-	ON	ON

• 
  Zkoušečka v průběhu konstrukce
• 
  Zkoušečka s vybitou baterií
• 
  Zkoušečka s nabitou baterií

Složitější verzi najdete v kapitole o komparátorech.

Nepřipojujte na napětí větší než 10V!

Zkoušečka tranzistorů

Schéma zapojení zkoušečky

Tento obvod slouží k testování bipolárních tranzistorů. Přepínačem K₂ nastavíme polaritu napětí přiváděného na tranzistor, který připojíme k testovacím svorkám C, B a E. Po sepnutí spínače K₁ se rozsvítí obě LED diody. Tranzistor je uzavřený, tedy na zbytek obvodu nemá vliv. Po stisknutí tlačítka K₃ musí naopak jedna z diod zhasnout (PNP - LED₁/NPN - LED₂); tranzistor se otevře a diodu přemostí.

Seznam součástek

• U₀ = 9V (baterie)
• R₁, R₂ = 1,2 kΩ
• R₃ = 150 kΩ
• LED₁,₂ - ⌀ 5 mm
• K₁ - spínač
• K₂ - přepínač
• K₃ - tlačítko
• C, B, E - krokosvorky

Manipulace s krokosvorkami a testovaným tranzistorem jen při vypnutém vypínači K1

Zkoušečka součástek

Schéma zapojení

Zkoušečka v průběhu konstrukce

Hotová zkoušečka zabudovaná v krabičce

Na rozdíl od předchozího obvodu, tento umožňuje vedle bipolárních tranzistorů zkoušet i jiné druhy součástek. Princip je takový, že LED diody fungují jako indikátor proudu mezi svorkami + a -. LED₁ je zapojena přes tranzistor Q, takže citlivě indikuje i velmi malý proud. LED₂ indikuje větší proud. Přepínač K připojuje na svorku B kladné nebo záporné napětí přes rezistor R₁. Rezistory R₂ a R₃ omezují proud mezi svorkami i + a -, rezistor R₂ dále slouží k řízení tranzistoru Q (vzniká na něm úbytek napětí, který je přímo úměrný protékajícímu proudu; toto napětí pak působí na přechod báze-emitor tranzistoru a ten se podle toho otevírá/zavírá). Rezistory R₄ a R₅ omezují proud tekoucí do LED diod.

Seznam součástek

• U₀ = 9V (baterie)
• Q - BC 557
• R₁ = 47 kΩ
• R₂ = 220 kΩ
• R₃ a R₄= 1 kΩ
• R₅ = 3,3 kΩ
• LED₁,₂ - ⌀ 5 mm
• K - přepínač
• +, -, B - krokosvorky

Testování:

• Bipolární Tranzistory
  • Typ NPN - Připojíme kolektor ke svorce +, emitor k -, přepínač nastavíme na NPN - je-li tranzistor v pořádku v tuto chvíli nesvítí žádná LED. Pak připojíme svorku B k bázi, obě LED se musí rozsvítit.
  • Typ PNP - Stejný postup, s tím rozdílem, že přepínač je v poloze PNP, emitor je + a kolektor -.

• Unipolární tranzistory
  • Typ N - Připojíme vývod source ke svorce -, vývod drain k + a vývod gate k B. Je-li přepínač v poloze NPN svítí obě LED, v poloze PNP žádná.
  • Typ P - Stejný postup s tím rozdílem, že source je + a drain -, a přepínač funguje obráceně (NPN - obě LED zhasnou, PNP - obě svítí).

• Tyristory
  • Typ PNPN - Připojíme anodu ke svorce + a katodu k -, nic nesvítí. Pak na chvíli připojíme gate k +, obě LED se rozsvítí a svítí i po odpojení gate.
  • Typ NPNP - Stejný postup s tím rozdílem, že se G spojuje s -

(U větších tyristorů testovací proud nemusí stačit k jejich udržení ve vodivém stavu)

• Triaky - Stejný postup jako u tyristorů, zkouší se v obou směrech (přehodit + a -)

• Diody
  • Připojíme anodu ke svorce + a katodu k -, svítí obě LED, při opačné polaritě nesvítí nic
  • U LED diod svítí obě diody testeru i testovaná dioda

• Kondenzátory - Kondenzátor připojíme na svorky + a -, a po jeho nabití nesmí diody svítit. V opačném případě je proražený nebo má svodový proud. Větší kapacity se mohou déle nabíjet a chvíli trvá, než diody zhasnou. U elektrolytických a tantalových kondenzátorů je nutné dodržet polaritu!

• Reproduktory - Reproduktor připojíme na svorky + a -, obě diody svítí a v reproduktoru se ozve lupnutí, při dodržení polarity se membrána pohne směrem ven.
• Další součástky - Svorky + a - lze požít jako tester pro zjištění vodivosti např. vlákna žárovky, spínače, tlačítka, cívky, kabelu nebo konektoru.

Nepoužívejte tuto zkoušečku k zjišťování vývodů neznámých tranzistorů připojením nožiček mezi plus a mínus svorky pro nalezení polarity přechodů (tak jako se testují diody). Reverzní průrazné napětí (napětí obrácené polarity než při běžné funkci, při kterém nastane lavinový jev a přechod začne být vodivý) přechodu báze-emitor u tranzistorů je většinou hodně nízké (~5 - 6 V) a tak se přechod bude jevit vodivý v obou směrech. I když je protékající proud omezen, reverzní průraz může ovlivnit/zmenšit proudový zesilovací činitel testovaného tranzistoru.

Teploměr k multimetru

Schéma zapojení teploměru

Čip LM35 v pouzdru TO-92, nožičky jsou číslované zleva, tzn. 1 je úplně vlevo, 2 uprostřed a 3 vpravo.

V tomto obvodu je použit polovodičový teplotní senzor Q s označením LM35, který funguje jako převodník teploty na napětí. V základním zapojení funguje pro rozsah teplot od 2 do 150 °C, při použití dalších součástek (D₁, D₂, R) je možné mít na výstupu i záporné napětí a tedy měřit i teploty pod nulou, konkrétně v rozsahu -55 až 150 °C. Poměr mezi teplotou a výstupním napětím je 10 mV/°C. Pro zvýšení odolnosti proti rušení je vhodné doplnit tři kondenzátory 100nF, a to paralelně k napájení, paralelně k výstupu a paralelně k diodám.

Seznam součástek

• U₀ = 9V (baterie)
• Q - LM35
• R = 18 kΩ
• D_1,2 - 1N4148
• V - voltmetr / multimetr v režimu měření napětí

$\vartheta [^{\circ }C]\approx {\frac {u[mV]}{10}}\Rightarrow u=206mV\rightarrow \vartheta =20,6^{\circ }C$