Digitální voltmetr – sonda

Občas člověk vytvoří nějakou pomůcku, která je praktická a jednoduchá. Můj "voltmetr - sondu" vidělo pár lidí a projevili zájem. Tedy předkládám hrubý stavební návod na takové udělátko.

  Nedávno jsem z Číny objednal  panelové měřicí moduly. Třímístný display, různé barvy, červená a modrá. Dají se najít za cenou okolo 1,5 dolar/ks, při koupi více kusů pak kolem 20kč/kus. Zelené o něco dražžší, žluté jsou vidět ojediněle.  

https://www.youtube.com/watch?v=WqNp9iGn3nM

 

 Neodolal jsem a 2 ks červených a dva ks modrých modulů jsem z portálu e-bay objednal. Jeden kousek jsem zamontoval do profi zdroje Ascom a používám ho jako druhý „robustní“ zdroj na bastlení.

  Konstrukce modulu obsahuje nějaký mikroprocesor z řady STM8  s interním ADC. Reference je je odvozená od napájecího stabilizátoru na desce 3,3V . To samo o sobě nevypadá moc dobře, při praktických testech je však přesnost modulu dostačující a  viditelně se měřený údaj nemění se při změně napájecího napětí modulu. To platí i při změně teploty, ledový modul z mrazáku ukazuje hodnoty jako při cca 22 stupních pokojové teploty.  Zapojení a vnitřnosti modulů lze najít např. zde:

https://www.google.cz/search?q=3+digit+voltmeter+STM8&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=BLQJVZTqDYHyUIOJgrgC&ved=0CEUQsAQ&biw=1344&bih=731

Dají se objednat moduly s rozsahem 100V a 200V – ty mají pevnou desetinnou tečku a zobrazují pouze jedno desetinné místo.

 https://www.youtube.com/watch?v=UqGC0tOVbVc
I 100V moduly ale existují ¨v provedení s pohyblivou desetinnou tečkou, kumšt je tyto moduly správně najít.
Někteří obchodníci na e-bay, aliexpress mají u popisu video, kde takovou funkcionalitu ukazují.

Dále moduly s rozsahem do 30V (zobrazí maximálně 33,0- 34,0V  – poté ukazují - - - ). Ty měří na desetinná místa dvě, při přechodu z 9,99V  na 10,0 V pak desetinná tečka přepíná doprava a modul měří na jedno desetinné místo. 

  https://www.youtube.com/watch?v=q7Mn-EGlAuA

 Moduly mají 3 vývody: napájení a jeden vstup pro měření napětí. V nabídce jsou také dvou-vývodové verze, které nemají vstup měřeného napětí. Napájení a měřicí vstup je u modulu propojený s napájením.. https://www.youtube.com/watch?v=qVrMOzorHs0

 

Ve všech případech bývá rozsah napájecího napětí cca 4-30V, při větším napětí by mohlo dojít k tepelnému  a napěťovému přetížení stabilizátoru uvnitř.

Některé verze modulů mají součástky osazené na desce přímo pod displejem, jiné verze pak mají osazenou desku na zadní straně spojů. Opět jsou další varianty s možností přesně dostavit napětí miniaturním trimrem. Případně verze s meřicími rozsahy 75mV pro měření proudů i varianty s vestavěným bočníkem. Některé z modulů mají také vyvedeny signály RXD,TXD pro propojení sériovou linkou s PC a možností dalšího zpracování údaje. Na internetu jsou i nadšenci, co procesor v modulu přeprogramovali dle svého gusta a ke svému účelu. Takové aktivity jsou poměrně dobře popsané a zdokumentované , ale je třeba k těmto úprovám objednat správné moduly s těmi správnými procesory.

 Není účelem všechny varianty popsat, zájemci se mohou kochat nepřebernou nabídkou na e-bay.com

   

Při prvních pokusech s modulem jsem zjistil, že odběr ze zdroje je pouhých 5-6mA !!!. Vstupní odpor je okolo 200kOHM, to samo o sobě je ideální jako testovací voltmetr – sonda pro různé pomocné měření při pokusech, vývoji a servisu. Ostatně nakonec dvouvývodové verze jsou přímo pro tento účel vyráběné a na e-bay nabízené  – doslova připojit a měří se. Naprosto ideální k olověným bateriím při portable provozu, můžeme průběžně kontrolovat napětí akumulátoru a vidět například změny napětí při klíčování atd..

Jenomže pro moje účely je rozsah do 30V nedostatečný.  Protože jsem chtěl modul používat i pro napětí okolo 60V ( např. časté měření staničních 48V baterií ) napadlo mě předřadit před modul další „před-stabilizátor“. Výsledek celého snažení předkládám níže.

    Předem upozorňuji, že konstrukce nemá v žádném případě za účel přímo nahradit voltmetr - přístroj jako takový! Je to doplněk, sonda pro využití v dílně radioamatéra jako další nezávislý monitor stejnosměrného napětí, jako kontrola napětí baterií, jako pomocný voltmetr při oživování, kontola napětí zdrojů na portable stanovišti atd.  A bezproblémové použití je umocněné tím, že může být modul trvale připojený např. k baterii.  Čistě teoreticky 60Ah baterii vybije tenhle modul za 416 dní  !!!!!

   Konstruktér musí umět sám uvážit, v jakých případech lze tento „dvoudrátový voltmetr“ použít, kdy neovlivní měřený údaj a nezatíží obvod v zařízení a kdy je jeho použití možné a účelné. V žádném případě např. nelze měřit zdroj s vnitřním odporem např. 1kOhm atd…. 

     Rozsah měřeného napětí po úpravě je cca 5-60V s max. odběrem  proudu do cca 6mA a je dostačující pro běžné použití. Výhoda řešení je možnost měření bez dalšího napájení! Každý se snad setkal s tím, že baterie v multimetru jsou vybité ( zapomenutí vypnutí  ) , vyteklé… nebo přístroj „lže“ a momentálně nové baterie nejsou po ruce. Ano v tomto režimu lze využít i pasivní ručkové přístroje, ( např.  DU 10 ) ale na stole zabírají místo a odečítání statického napětí je v digitální (svítící) podobě mnohem příjemnější.

Jako předřadný stabilizátor jsem použil IO LM317. Má možnost regulovat spád až 40V.  Výstup je děličem natavený na cca 22-24V a tím pádem je možno měřit do cca 60V. 

 Dělič je sice měkký a neodpovídá minimálnímu proudu do ADJ stabilizátoru LM317, ale praktickým testem jsem si ověřil, že je činnost IO správná i při "měkčím" děliči, než jsem použil.

Při měření nižšího napětí funguje stabilizátor tak, že rozsah mezi vstupním napětím a výstupním je asi 1,5V 

( při 6mA ) takže lze měřit od cca 6V – 60V.  Celý stabilizátor  s děličem a blokováním jsem umístil na sub-desku přišroubovanou k modulu  pomocí šroubků.

Destička je jednoduchá s pár ostrůvky pro osazení součástek. Namalováno v rychlosti kvalitním centrofixem, druhá strana oboustranně plátované desky použitá k připojení měřicích kablíků.

 Kvůli výšce modulu  jsem v destičce   vyříznul otvor a LM317 v D2 provedení umístil do tohoto otvoru.
Na každé straně desky je "kousek" stabilizátoru.

 Chladič je připájený z jedné strany desky a vývody ze strany druhé.  Použití LM317    ( standardní 1A provedení D2 s krátkým křidélkem, nebo zkrátit pouzdro TO220 ) se mi zdálo pro daný účel robustnější, stejně dobře ale vyhoví SMD provedení, které jsem ale neměl k dispozici. Tepelná ztráta na stabilizátoru činí v nejnepříznivějším případě cca 0,23W což s rezervou zvládne i LM317L . 

 Celý modul s našroubovaným před-stabilizátorem k modulu  je pak „zataven“ do samo-smršťovací bužírky a tvoří kompaktní celek s měřicími kabely.

 Ty je vhodné použít kvalitní s co nejtenčími drátky v „licně“. Použil jsem nějaké modelářské s průřezem 0,25mm2 , odhadem je žíla složená z cca 50ks 0,05mm měděných drátků.

 Cejchování modulu je možné a jednoduché u provedení s trimrem, já měl modul bez takového prvku. Úprava děliče na vstupu procesoru je ale také možná, v mém případě bylo třeba paralelně k „hornímu – živému“ odporu děliče připojit odpor.Je třeba se podívat dle konkrétního modulu, kde je vstupní dělič zapojen. 

Další fotografie ukazují mechanické uspořádní ještě  před zatavením je přes display přehnuta folie z PET lahve, která zlepšuje čitelnost displeje –  nejsou tolik vidět nerozsvícené segmenty a údaj je pak kontrasnější zejména na denním světle.  

 Ideální je folii z PET lahve použít 2x přeloženou přes sebe. 

  Na trhu jsou vhodné nápoje jak s modrým, tak s červeným obalem ( to není reklama Hi )

  Modulu nevadí přepólování, obrácené napájení teče do stabilizátoru přes 2,2kOHM odpor. Předřadnou diodu pouze před LM 317 je sice možné doplnit a na desce je pro ni místo, po praktickém vyzkoušení bez diody jsem místo propojil drátkem z 100mA pojistky jako ochranu před poruchou modulu. Dioda by zbytečně zvětšovala spodní mez měření modulu.

Součástky lze samozřejmě uspořádat i jinak, například ve stylu vrabčí hnízdo – fixované tavným lepidlem, ale mám rád konstrukce mechanicky pevné  pokud možno hezké.

  Další nápad se zrodil v momentu, kdy se nabízelo podobné použití dalšího nevyužitého modulu k meření velkého množství NiMH  AA akumulátorů a baterií, kterých se u mě vyskytuje nepřeberné množství.  (kdo má děti a hračky určitě chápe)  Vetšinou lze stav článku zjistit voltmetrem a  připojenou nějakou definovanou zátěží.  Bohužel modulu napájecí napětí 0,8-1,6V v žádném případě nestačí.  Ale opět si lze pomoci měničem – tentokrát step-up. Pro  tento účel jsem použil opět modul z e-bay, původně určený jako step-up zdroj 5V pro USB zařízení. 

Obsahuje jeden IO a umí pracovat cca od 0,7V.  To je pro měření baterií naprosto ideální, nevadí ani větší proud který měnič ze zdroje odebírá aby vyrobil výkon potřebný pro napájení modulu. Rozsah napájení měniče je do max. 10V a od  5V vstupního napětí a více je na výstupu napětí rovnající se vstupnímu napětí. To ale nevadí, pak začíná regulovat vnitřní stabilizátor v modulu měření. Prakticky tak získáme „voltmetr“ s rozsahem od cca 0,7V – 10V.

Schéma "od ruky" snad postačí:

  Mechanické  provedení je patrné z obrázků. Z desky měniče jsem odstranil USB konektor  a desku podélně zkrátil dle obrázku na rozměr shodný s rozměrem desky modulu. 

Destička měniče tím pádem přijde o zbytečnou  indikaci chodu měniče v podobě červené  LED diody a předřadného odporu. Destička měniče  je přilepena k destičce modulu  měření oboustrannou lepicí páskou s tloušťkou cca 1 mm. Měřicí kablíky jsou přiletované přímo do modulu, celek je opět s dvojitou  fólií příslušné barvy z PET lahve zataven do smršťovací fólie ( tentokrát červené )  stejně, jako provedení s LM317. 

Nebo lze  použít nějakou malou krabičku, do které se vejde vedle sebe měnič a  modul. Já vyrobil ještě stejný voltmetr právě do takové krabičky s tím, že uvnitř je i malý trimr na přesné nastavení napětí .

   Modul nemá ochranu proti přepětí, při překročení katalogových 10V patrně dojde k destrukci IO CE8301 v měniči. ( netestováno  Hi )  Ale použití opět předpokládá fundovanou osobu a modul je primárně určen k testování šuplíkových článků a baterií. 

 Tamtéž  (v šuplíku s bateriemi) je též modul trvale umístěn a nepředpokládám jiné využití, tedy jednoduše nehrozí destrukce přepětím. 

Modul měří od napětí cca  0,7V ( vybitý článek ) s odběrem cca 70mA. 

Při 1,2V je odběr  proudu   cca 60mA, při 3,7V cca 20mA . Měnič v tomto případě článek zatěžuje, což  při měření potřebujeme. Se zvyšujícím se napětím ale proud klesá.

Při měření vybitých  suchých ( alkalických ) článků voltmetr většinou ukáže nějaké napětí, které rychle klesá a v zápětí voltmetr zhasne. Energie článku již nedokáže uvést do činnosti měnič napětí. V takovémto případě víme, že je napětí článku při zátěži cca 70mA již pod 0,6V a článek  patří do sběrného místa pro baterie.

 Na měření bloků s napětím víc než 5-10V je předurčea výše popsaná úprava s LM317.  Protože se mi nápad líbí, nabízím pro inspiraci široké radioamatérské veřejnosti.  Celá konstrukce by určitě šla vyřešit elegantněji, dokážu si představit sondu pracující od zmiňovaných 0,7V do cca 100V, uvedené řešení je ovšem jednoduché a časově nenáročné, navíc odpovídající možnostem modulů. Na závěr opět zdůrazňuji, že je třeba vědět, kdy lze víšepopsané pomůcky použít. Určitě s nimi nejde nahradit laboratorní voltmetr s vysokým vnitřním odporem. Je třeba mít na mysli, že voltmetr je z měřeného zdroje i napájen!