EEVblog #373 - Wejściowe obwody zabezpieczające multimetru.

Wszystko co powinieneś wiedzieć o obwodach wejściowych multimetru.
Na podstawie Fluke 27 jako przykład typowego multimetru.
Service Manual: http://www.testmart.com/webdata/mfr_pdfs/FLU/27______smeng0100.pdf
Forum Topic: http://www.eevblog.com/forum/blog-specific/eevblog-373-multimeter-input-protection-tutorial

EEVblog Main Web Site:
http://www.eevblog.com
EEVblog Amazon Store:
http://astore.amazon.com/eevblogstore-20
Donations:
http://www.eevblog.com/donations/
Projects:
http://www.eevblog.com/projects/
Electronics Info Wiki:
http://www.eevblog.com/wiki/

Cześć, wiele osób pyta mnie o obwody zabezpieczające w multimetrach.

Jak one pracują (bezpieczniki, izolacje, zabezpieczenia itp).

Jeżeli oglądaliście moje widea o multimetrach to mówię tam o tym cały czas.

Kilka osób poprosiło czy mogę wyjaśnić jak to działa w typowym mierniku.

Weźmiemy schemat Fluke 27 i wyjaśnimy jak działają obwody zabezpieczające wejście.

zaczynamy

Typowy multimetr ma wejście COM (masa) , drugie dla pomiaru napięcia, rezystancji i testu diod.

Może to być także wejście pomiaru pojemności itp.

Zwykle dla pomiaru prądu mamy osobne wejścia A wysokoprądowe i mA niskoprądowe.

Niektóre tanie multimetry wejście pomiaru mA i uA mają wspólne z tym dla pomiaru napięcia.

Skupimy się na multimetrze z rodzielonym pomiarem prądu oraz napięcia.

Te wejścia zabezpieczone są bezpiecznikiem, ten przykładowo 350mA oraz 10A.

Te bezpieczniki w multimetrach zabezpieczają obwody pomiaru prądu.

Nie mają nic wspólnego z zabezpieczeniem wejścia pomiaru napięcia.

Spójrzmy na schemat i zobaczmy dlaczego.

Możesz wyciągnąć te bezpieczniki i multimetr nadal będzie mierzył napięcie.

pojemność, rezystancję itp, poza prądem

do zabezpieczenia tych obwodów stosowane są termistory PTC oraz warystory.

To przykładowy schemat obwodów zabezpieczających multimetr.

Ten jest zbliżony do Fluke 27.

Linki do serwisówki są w opisie tego filmu.

Możesz to sprawdzić.

Jest to typowy obwód, lecz obwody różnych producentów mogą się nieco róznić.

W zależności od tego jakie elementy (np. ADC) są dalej.

To jest typowy układ zabezpieczający prostego multimetru.

Mamy tutaj zaciski wejściowe.

Cztery zaciski.

Masa

Prąd A

Prąd mA uA

Wolty omy i test diody

Są dla nich odrębne obwody zabezpieczające.

Spójrzmy na obwody zabezpieczające pomiar prądu i zapomnijmy o pomiarze napięcia.

Mamy masę i wejście wysokoprądowe.

Bocznik pomiarowy 5mOm.

Jest to mały pasek miedzi.

Oraz bezpiecznik 11A.

Jeżeli zewrzesz obwody zasilania sieciowego tym miernikiem

bezpiecznik w multimetrze się spali.

Bardzo szybko przy prądzie 50A.

Jeżeli na zakresie 10A przepłynie 11A.

Bezpiecznik nie przepali się szybko, będzie potrzebował nieco czasu.

Niektóre multimetry określają że możesz mierzyć np. 20A przez 10s.

Bezpiecznik nie spali się oraz rezystor pomiarowy nie nagrzeje się znacząco.

Gdy zewrzesz zasilanie sieciowe, mamy tutaj do czynienia z dużymi energiami.

Jest to powód stosowania bezpieczników na zakresie 10A.

Jest to dużo energi która zamieni się w ciepło w małym multimetrze, i coś wybuchnie.

To może rozerwać obudowę multimetru, czasami pojawią się płomienie itp.

Ten bezpiecznik wyzwoli tą energię wewnątrz siebie.

Taki bezpiecznik to rurka szklana z drutem w środku.

Może powstać łuk i enegria płynie dalej.

Jednak ten bezpiecznik posiada piasek lub inny materiał który gasi łuk i absorbuje energię.

Dodatkowo indukcyjności mogą wywołać przepięcia przy takim zwarciu.

Zakres mA i uA jest osobny i posiada taki sam bezpiecznik z piaskiem lecz na mniejszy prąd.

w tym przypadku prąd płynie także przez przełącznik, który może uledz uszkodzeniu.

na zakresie mA mamy szeregowe połączenie bocznika zakresu mA oraz A. Na zakresie uA mamy osobny rezystor.

W obu przypadkach napięcie odkładające się na rezystorach trafia do ADC mierzącego jego wartość.

Lecz co to za dziwny układ z diodami ?

Mostek z szeregowo włączonymi czterema diodami.

Jeżeli zajrzysz do multimetru zobaczysz mostek z diodami, nie są one wysokiej mocy.

Są one włączone równolegle w obwodzie pomiarowym.

Powodem jest to że gdy zewrzesz przypadkowo napięcie sieciowe, te rezytory tutaj mogą się przepalić.

Może to nastąpić przed przepaleniem bezpiecznika.

Diody tutaj ograniczają spadek na rezystorze pomiarowym do małych wartości.

Jest to nie tylko zabezpieczenie wejścia pomiarowego ale także przyspieszenie przepalenia bepiecznika.

Tutaj mamy plus zasilania.

Oraz stan przeciążenia.

Mamy tutaj około 10V. Jest to znacznie więcej niż zwykle. Napięcie na boczniku jest zwykle bardzo małe.

W Fluke 27 mamy mostek diodowy z czterema dodatkowymi diodami.

Tutaj mamy plus zasilania.

Prąd płynie tędy.

Nie płynie tędy (katoda diody).

Płynie tędy.

Nie płynie tędy.

Płynie tędy.

Prąd nie wraca tutaj.

Płynie tędy.

Do masy.

Mamy sześć diod.

W szeregu.

6x0.6V, to jest diodowy mechanizm ochronny.

Napięcie wejściowe będzie ograniczone do spadku napięcia na diodach.

Napięcie na rezystorze pomiarowym również będzie ograniczone.

Dlatego stosowany jest układ z diodami.

Czemu stosują mostek diodowy ?

Ponieważ polaryzacja zasilania może być odwrotna.

Może być to także prąd zmienny.

Nie musisz mieć tutaj tych dodatkowych diod.

One służą zwiększeniu napięcia do którego ogranicza układ diodowy.

Możesz także zewrzeć wyjście mostka diodowego.

Te diody nie muszą być ani szybkie, ani wysokoprądowe.

1N4007 wystarczą.

Wystarcza do rozproszenia mocy.

Oraz wystarczająco szybkie, gdyż bezpiecznik nie przepala się odrazu.

Każdy prawidłowo zaprojektowany multimetr posiada taki układ.

Jest to dodatkowe zabezpiecznie wejścia pomiarowego oraz boczników.

Połyłki i przepalenia bezpieczników zdarzają się często, także warto mieć takie w zapasie.

Przepala się bezpiecznik, i nic innego się nie psuje.

Jest tutaj dodatkowy rezystor 100K na masie sygnału (wejście ADC jest różnicowe).

Ten rezystor ogranicza maksymalny prąd jaki może tutaj popłynąć.

Super bezpieczne.

Teraz zobaczmy jak działa zabezpiecznie wejścia napięciowego, pomiaru rezystancji itp.

Ta część nie istnieje.

Nie ma wpływu na część zabezpieczjącą wejście napięciowe.

Jest to dość prosty układ.

Te dodatkowe elementy są w Fluke 27, narazie przyjmijmy że nie istnieją.

Jedyne co mamy to te elementy rezystancyjne tutaj.

Mamy tutaj typowy rezystor, w Fluke 27 jest to 3.5Kom.

Jest to rezystor drutowy, odporny wysokotemperaturowy.

W szeregu mamy termistor PTC.

Nominalna rezystancja to 1KOm.

Ta kropka oznacza że jest to termistor.

Gdy temperatura rośnie rezystancja rośnie.

Ogranicza to moc strat, jest to zabezpieczenie, lecz termistor jest wolny podobnie jak bezpiecznik.

Jeżeli napięcie wejściowe np. na zakresie 1000V powoli wzrośnie do 2000V to termistor zadziała prawidłowo.

Jeżeli twój multimetr nie posiada takiego termistora to jest źle zaprojektowany.

Następna sprawa to szybkie impulsy wysokonapięciowe.

Wiele ludzi uważa że skoro mierzą tylko napięcie sieciowe a ich multimetr działa do 1000V to w czym problem ?

Chodzi o szpilki napięciowe, przepięcia np. podczas sterowania dużymi silnikiami itp.

Ochronę przed przpięciami zapewnia warystor.

Nie będziemy teraz wnikali w oznaczenia CAT (II III itp)

CAT II to minimum jakie potrzebujemy np. pomiar napięcia w gniazdku sieciowym, CAT III np. rodzielnica, CAT IV stacja NN itp.

CAT określa jakie przepięcia może przetrwać układ.

Jak widać miernik jest przystosowany do przetrwania przepięć wielokrotnie większych niż zakres pomiarowy.

W tym przypadku PTC nic nie pomoże.

MOV (warystor) ma tutaj zastosowanie.

Zwykle są one duże i grube, zaraz zobaczymy dlaczego.

Ważne aby transil był połączony do zasisku masy.

Warystor ma taki symbol.

Warystor normalnie jest otwartym obwodem.

Zignorujmy te pozostałe, załóżmy że jest ten jeden.

Normalnie nie ma on wpływu.

Jeżeli przekroczysz jego napięcie nominalne.

W tym przypadku 430V.

Bardzo szybko obniży swoją rezystancję.

Zewrze ten obwód.

Posiada wtedy bardzo niską rezystancję.

Prąd płynie tędy.

MOV pochłonie energię impulsu, a PTC zacznie się nagrzewać.

MOV działa szybko.

Szybki wykres.

Tutaj mamy prąd.

A na osi x czas.

nagle mamy zwiększenie wartości prądu, a następnie spadek gdy PTC się nagrzeje.

Dlatego potrzebujesz tutaj rezystor wysokiej mocy.

Energia będzie się rozpraszać na wszystkich tych elementach.

PTC osiągnie wartość w megaomach i zniknie przepływ prądu.

Dlaczego jest ich aż cztery ?

Połączone w szereg.

Lepiej połączyć kilka niż jeden na 1000V.

Możesz rozproszyć większą moc, ale również odstępy na płytce będą większe.

To zapobiega przebiciu.

Możesz mieć jeden warystor oraz wyciąć w płytce szczelinę izolacyjną.

Rozwiązanie z kilkoma warystorami jest bezpieczniejsze.

Reszta układu jest tak zaprojektowana aby wytrzymać napięcie przy jakim zaczyna działać sieć warystorów.

W dalszej części jest rezystor 10Mom.

Czasami wartość rezystora wejściowego jest większa.

Z tąd wejściowa rezystacja 10Mom może być w rzeczywistości np. 11Mom.

W dobrym multimetrze zastosowane są także dalsze obwody zabezpieczające.

W Fluke 27 jest to dodatkowy tranzystor który uruchamia się gdy napięcie zbytnio wzrośnie.

Ten układ wejściowy ma pochłonąć odpowiednią energię i spełnić odpowiednią normę CAT.

Pozostałe elementy to dodatkowy "bonus"

Co to za elementy ?

w Fluke 27 jest to ceramiczny rezystor 1Mom oraz warystor, wejście wykorzystywane jest w przełączaniu zakresów.

te elementy chronią drugie wejście ADC.

Te elementy zależą od producenta modelu etc.

Zobaczmy te elementy w rzeczywistości.

W poprzednich odcinkach mówiłem o przerwach izolacyjnych.

Po między wejściami, elementami itp.

Są to fizyczne przerwy w PCB.

W miarę jak multimetry stają się zoraz mniejsze, odstępy między elementami są również małe, dlatego potrzebna jest dodatkowa izolacja.

Wysokie napięcie w postaci impulsów może przeskoczyć po między ścieżkami i elementami PCB.

Odszukajmy te elementy na płytce multimetru.

Wejście masy.

niewielki dławik jest tutaj.

nie wszystkie multimetry to posiadają

to jest wejście V omh

to jest wejście A

to jest wejście mA uA

To jest wejście napięciowe.

W szeregu będzie rezystor 3.5Kom i PTC 1K

to jest rezystor 3.5k

drutowy, wysokiej mocy.

to jest PTC

nie ma oznaczeń

ścieżka idzie podspodem

to jest rezystor ceramiczny wysokonapięciowy.

tutaj mamy warystory

5 sztuk

ta ścieżka idzie do przełącznika i ADC, dlatego potrzbuje dodatkowego zabezpieczenia.

inne warystory

połączone w szereg 3 sztuki

plus jeden dodatkowy

połączone są z masą.

ścieżka do masy idzie tędy.

nie jest to najlpeszy przykład prowadzenia tej ścieżki.

Lecz jest to wystarczające aby spełnić CAT.

Tutaj mamy przykład izolacji wysokonapięciowej, w postaci wycięcia w płytce.

Mamy tutaj więcej takich wycięć.

Tutaj mamy kondensatory.

Tutaj mogą pojawiać się wysokie napięcia.

Ciężko coś tutaj zobaczyć.

Mamy tutaj czterokońcówkowy pomiar spadku napięcia na rezystorze pomiarowym.

Może to nie jest najlepszy przykład konstrukcji mechanicznej.

Wybrałem go ze względu na dostępny schema układu zabezpieczającego.

To jest rozwiązanie całkiem "odlskulowe" widzimy tutaj kolejne wcięcia izolacyjne.

Wejście wysokoprądowe idzie bezpośrednio na bezpiecznik.

Przez rezystor i na zacisk masy.

Zobaczmy jak wygląda następca tego multimetru.

Zdecydowanie bardziej zwarta konstrukcja obwodów wejściowych.

Nadal jest podobna po wielu latach.

Ten multimetr podłączyliśmy w poprzednich odcinkach do wydajnego źródła prądu aby sprawdzić jak zachowa się w takich warunkach.

Dlatego warystory są uszkodzone.

To jest izolacja wysokonapięciowa.

Taki sam obwód wejściowy, termistor, rezystor wysokiej mocy, trzy warystory.

Jest to CAT IV.

Ma mniej warystorów ale pewnie o lepszych parametrach.

Tutaj podobnie wysokonapięciowy rezystor ceramiczny.

Obwód wejściowy wygląda podobnie, wzasadzie identycznie.

Znów sloty wysokonapięciowe.

Oraz mostek diodowy, z jedną dodatkową diodą.

Czyli nie potrzebny był tak duży spadek napięcia w zabezpieczeniu jak poprzednio.

Tutaj mamy zabezpiecznie przed wybuchem elementów w obudowie multimetru.

Cała enegria wybuchu nie powinna wydostać się na zewnątrz.

Gdy nastąpi wybuch nie poparzy naszej ręki.

Tutaj są wewnętrzne zabezpieczenia przed wybuchem.

W Fluke 28.

Trafia to w wycięcia w płytce, które pełnią rolę izolacji wysokonapięciowej.

Fizycznie odziela elementy.

To dobry przykład dobrze zaprojektowanego urządzenia CAT IV.

Raz jeszcze obwody zabezpieczające wejście multimetru.

Bezpieczniki, mostek diodowy.

PTC, Warystor itp.

Jeżeli w twoim mierniku nie ma tych elementów, jest on prawdopodbnie źle zaprojektowany.

To jest dobra podstawa, jeżeli chcesz sprawdzić swój miernik.

Czy jest on bezpieczny.

Otwórz go i zobacz czy posiada te elementy.

Bez tego może to być tani niebezpieczny sprzęt.

Może być wtedy zastosowany w niskonapięciowych pomiarach.

To w skrócie, zabezpieczenia wejść multimetru.

Mam nadzieje że się wam podobało, jeżeli chcesz o tym podyskudować zapraszam na forum EEVblog.

Jeżeli Ci się podobało kliknij lubię to.

Do zobaczenia. Tłumaczenie and.elektroda.eu dla elektroda.pl