Транзисторный вольтметр постоянного тока

В описаниях конструкций, публикуемых в радиотехнической литературе, обычно указывают относительное входное сопротивление вольтметра, которым измерены напряжения в цепях конструкции. Об этом упоминал и я, рассказы­вая тебе о рекомендуемых усилителях, приемниках. Случайно ли это? Нет. Потому что напряжения в цепях конструкции, измеренные вольтметром с дру­гим входным сопротивлением, будут иными. Объясняется это тем, что вольтметр своим входным (внутренним) сопротивлением шунтирует измеряемую цепь и тем самым изменяет ток и напряжение в ней. Чем меньше входное сопротивление вольтметра, тем он сильнее шунтирует измеряемый участок цепи, тем больше погрешность в результатах измерения.

Относительное входное сопротивление вольтметра постоянного тока комби­нированного прибора, о котором я рассказал в этой беседе, 10 кОм/В. Оно достаточно высокое и во многих случаях вносит незначительные погрешности в измерения. Подчеркиваю: во многих, но не во всех. В тех же случаях, когда измеряемая цепь высокоомная, погрешность измерения становится ощу­тимой. Таким вольтметром нельзя достаточно точно измерить, например, на­пряжение непосредственно на базе транзистора, на коллекторе транзистора, если в его цепи большое сопротивление нагрузки. И совсем нельзя измерить на­пряжение смещения на затворе полевого транзистора, входное сопротивление которого во много раз больше входного сопротивления вольтметра.

А если в комбинированном приборе будет использован микроамперметр на больший ток Iи, чем 100 мкА? Например, на ток 500 мкА? Относительное входное сопротивление вольтметра уменьшится до 2 кОм/В. Измерять им на­пряжения в большей части цепей твоих конструкций еще можно, но погреш­ности измерений будут больше.

И, наоборот, относительное входное сопротивление вольтметра комбиниро­ванного измерительного прибора можно увеличить вдвое, до 20 кОм/В, если для него использовать микроамперметр на ток 50 мкА. Но такой микроам­перметр, да еще с большой шкалой, тебе, вероятно, не удастся раздобыть.

Есть, однако, другой путь значительного увеличения входного сопротивления вольтметра — введение в него транзисторов. Но сначала предлагаю опыт, кото­рый поможет тебе разобраться в принципе работы транзисторного вольтметра постоянного тока.

Принципиальная схема опытного вольтметра изображена на рис. 241. Это измерительный мост (см. с. 255), в диагональ которого включен микроампер- метр ИП1,. Плечи моста образуют: участок эмиттер — коллектор транзистора Г,, резистор R1 и участки а и б переменного резистора R2. Мост питает элемент Э1 напряжением 1,5 В (332, 316). Измеряемое постоянное напряжение подается на эмиттерный переход транзистора через входные гнезда Um и добавочный резистор Rд, гасящий избыточное напряжение. Микроамперметр, являющийся индикатором баланса моста, может быть на ток 300 — 500 мкА и даже больше. Транзистор — с коэффициентом передачи тока h2!э, равным 50 — 60. Сопротивле­ние добавочного резистора Кд зависит от используемого микроамперметра и определяет в основном входное сопротивление вольтметра. Оно должно быть не менее 30 — 50 кОм.

Движок резистора R2 установи в верхнее (по схеме) положение. Затем» замкнув накоротко зажимы UBX и включив питание, резистором R2, медленно вращая его ось, установи стрелку микроамперметра на нулевую отметку шкалы. Через 3 — 5 минут, необходимых для. прогрева транзистора, повтори коррек­тировку нуля вольтметра. После этого разомкни входные зажимы, подай на них напряжение 1 В, например часть напряжения одного элемента 332 (че­рез делитель напряжения), и подбором добавочного резистора RA добейся отклонения стрелки индикатора до конечной отметки шкалы. Это будет соответствовать 1 В измеряемого напряжения.

Каково входное сопротивление такого вольтметра? Во много раз (примерно в /г21э используемого транзистора) больше входного сопротивления вольтметра комбинированного прибора.

Каков принцип действия такого вольтметра? Его транзистор выполняет роль усилителя тока, но он в данном случае является и элементом измерительного моста постоянного тока. Перед измерением мост был сбалансирован — движок резистора установлен в положение, при котором напряжение на микроам­перметре и ток через него равны нулю. Но вот на входные гнезда "вольтметра t/BX, а значит, и на эмиттерный переход транзистора ты, соблюдая полярность, подал измеряемое напряжение. Коллекторный ток от этого- увеличивается, со­противление участка эмиттер — коллектор уменьшается, в результате чего ба­ланс моста нарушается, и через микроамперметр течет ток, пропорциональный напряжению, поданному на вход вольтметра.

Таким прибором, а он, разумеется, может быть многопредельным, уже можно пользоваться как высокоомным вольтметром. Однако его асе же надо рассматри­вать как опытный измеритель напряжения.

Для практических целей рекомендую построить вольтметр по схеме, пока­занной на рис. 242, а. Он пятипредельный и рассчитан для измерений в цепях транзисторной аппаратуры, где напряжения в большинстве случаев не превы­шают 20-30 В.

Плечи измерительного моста этого вольтметра образуют участки эмиттер — коллектор транзисторов, резистор Rg с верхней (по схеме) от движка частью подстроечного резистора и резистор с нижней частью резистора В одну диагональ моста (между эмиттерами транзисторов) включен микроам­перметр          ИП1 в другую (между коллекторами транзисторов и движком ре­зистора источник питания Э1. Чтобы шкала вольтметра была равномер­ной, на базы транзисторов через резисторы R6 — R8 подаются отрицательные напряжения смещения, открывающие оба транзистора.

Измерительный мост балансируют: подстроечным резистором (при замкнутых между собой базах транзисторов), уравнивая ими токи коллекторов, и резистором R19 устанавливая им соответствующие токи баз, несколько раз­личающиеся между собой из-за неидентичности параметров транзисторов.

Рис. 242. Транзисторный вольтметр постоянного тока.

Измеряемое напряжение подается на базы транзисторов через один из до­бавочных резисторов R1 — R5. При этом транзистор Т1, база которого оказы­вается под отрицательным напряжением, еще больше открывается, а транзистор Т2, база которого оказывается под положительным напряжением, наоборот, закрывается. В результате сопротивление участка эмиттер — коллектор тран­зистора Т1 уменьшается, транзистора Т2 — увеличивается, отчего баланс моста нарушается и через микроамперметр течет ток, пропорциональный измеряемому напряжению.

Для вольтметра подбери транзисторы с коэффициентом передачи тока h21э около 50 и по возможности с малыми, а главное, близкими по значению обратными токами Iкбо.

Чем меньше эти токи и разница между ними, тем стабильнее будет работать прибор.

Конструкция вольтметра может быть такой, как показанная на рис. 242, б. Микроамперметр, выключатель питания В1, элемент 332 Э1, подстроечный ре­зистор и входные гнезда Гн1 — Гн6 установлены на гетинаксовой панели, размеры которой определяются в основном габаритами микроамперметра (в вольтметре по рис. 242, б использован микроамперметр М592). Остальные детали смонтированы на другой гетинаксовой панели, которая закреплена непосред­ственно на зажимах микроамперметра. Опорными монтажными точками этих деталей могут быть как пустотелые заклепки, так и отрезки облуженного мед­ного провода толщиной 1 — 1,5 мм, запрессованные в отверстия в панели. Для соединения микроамперметра с деталями прибора под гайки, навинченные на его шпильки-зажимы, подложены монтажные лепестки.

Роль подстроечных резисторов R7 и R10 могут выполнять переменные резисторы таких же или близких номиналов. Сопротивления резисторов R6 и R5 могут быть в пределах от 15 до 30 кОм, резисторов R9 и R11 — от 220 до 510 Ом.

Закончив монтаж вольтметра, сверь его с принципиальной схемой — нет ли ошибок? Движки подстроечных резисторов поставь в среднее положение отно­сительно крайних выводов. Включи питание — стрелка микроамперметра тут же отклонится от нуля, быть может, даже в противоположную сторону. Медленно вращая ось резистора R7, установи стрелку на нулевую отметку шкалы. Затем проволочной перемычкой соедини временно между собой базы транзисторов и дополнительно сбалансируй мост резистором R10. И так несколько раз, пока стрелка микроамперметра перестанет реагировать на соединение баз транзи­сторов.

После этого приступай к подгонке добавочных резисторов пределов измере­ний. Делай это точно так же, как при налаживании вольтметра комбини­рованного измерительного прибора.

На схеме вольтметра сопротивления добавочных резисторов R1 — R5 указаны применительно к микроамперметру на ток Iи = 200 мкА и транзисторам с коэф­фициентом передачи тока h21э около 50. Для микроамперметра и транзисторов с другими параметрами сопротивления добавочных резисторов будут иными. В та­ком случае целесообразно сначала подобрать добавочный резистор предела из­мерений 1 В, а затем по нему рассчитывать сопротивления остальных резисторов. Так, например, если сопротивление добавочного резистора этого предела ока­залось 50 кОм (примерно соответствует микроамперметру на ток Iи = 400 мкА), то для предела 3 В добавочный резистор должен обладать сопротивлением около 150 кОм, для предела 0,3 В — около 15 кОм. Окончательно подбирай резисторы опытным путем, контролируя образцовым прибором напряжения, подаваемые на вход вольтметра.

Можно ли выбрать иные пределы измерений? Конечно, и продиктовать их может оцифрованная шкала микроамперметра. Так, например, если микроам­перметр на ток Iи = 500 мкА, пределы измерений могут быть 0,5; 1; 5; 10 и 50 В или 0,5; 2,5; 10 и 50 В.

Пользуясь транзисторным вольтметром, помни: начинать измерения надо спустя 5-6 минут после включения питания. За это время стабилизируется тепловой режим работы транзисторов и стрелка прибора устанавливается на нулевую отметку шкалы. Время от времени надо подстроенным резистором R10 корректировать нуль вольтметра.

Как часто придется заменять элемент питания свежим? Ток, потребляемый вольтметром, не превышает 3 — 5 мА. Это значит, что элемент работает почти вхолостую и может служить не менее года.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель