Jun 162015
 
diode12

Светодиодите или light emitting diodes (LEDs) са най-широко разпространените и най-използваните от всички видове полупроводникови диоди днес. Те излъчват в доста тясна честотна лента видима светлина с различни дължини на вълната, както и инфрачервени и лазерни лъчи. LED са специфичен тип диоди с PN преход, изработени от много тънък слой силно легирани полупроводникови сплави. Когато електроните на полупроводника рекомбинират с дупките от валентната зона, се освобождава достатъчно енергия за отделянето на фотони емитиращи тесен светлинен спектър. Тогава може да се каже, че LED са полупроводников „апарат“, който преобразува електрическата енергия в светлинна енергия. Цветът зависи от дължината на вълната, а тя, от ширината на забранената зона на полупроводника:

Image128

 

където:  λ е дължината на светлинната вълна;

h – константа на Планк;

DW3 – широчината на забранената зона на полупроводника.

Важна особеност на светодиодите е тяхната малка инертност – от 10ns до 1ns. Това позволява на светодиодите да работят в импулсен режим при 100MHz, освен това се явява и едно от най-големите предимства на LED лампите пред CFL лампите, при които максималния светлинен поток се получава с известно закъснение.

Конструкцията на LED се различава твърде много от тази на един нормален диод. PN прехода е заобиколен от прозрачна твърда пластмаса с полусферична форма предпазваща светодиода от вибрации и удари. Всъщност, за изненада, самия LED не излъчва кой знае колко светлина, затова прозрачния корпус на диода, който впрочем може да бъде и от епоксидна смола, е конструиран по такъв начин, че фотоните излъчвани от LED да бъдат отразени от повърхността на основата, към която е прикрепен диода и фокусирани нагоре през куполовидния връх на светодиода. С тази цел тялото на диода е създадено с формата на леща за постигане на концентрация и по-висока яркост на върха на LED.

LED1

Въпреки това, голяма част от светодиодите не са направени с полусферична форма. Много LED са направени с цилиндрична конструкция с плоска горна част, други са с правоъгълна форма или дори със стреловидна форма. При някои приложения се налага светодиода да е в метален корпус.

LED в метален корпус

За разлика от обикновените лампи с нажежаема жичка, които генерират големи количества топлина съпътстващи светенето, LED генерират студена светлина, което води до висока ефективност, близо 5 пъти по-висока, защото по-голямата част от светлината се излъчва във видимия спектър. От друга страна, тъй като светодиодите са полупроводникови елементи, те могат да бъдат изключително малки и издръжливи и да осигурят много по-дълъг живот на лампата, част от която са.

Как LEDs светят с различни цветове? За разлика от обикновените диоди, които са направени от германий или силиций, светодиодите са изработени от екзотични полупроводникови материали като галиев арсенид, галиев фосфит, галиев арсенид-фосфит, силиконов карбид, галиев индиев нитрит, всички смесени в различни съотношения, за да се получи светлина с различна дължина на вълната, а оттам и различен цвят. Основната P-тип добавка в производството на LED е галий (Ga, химичен елемент с атомен номер 31) , а основната N-тип добавка е арсен (As, химичен елемент с атомен номер 33), химическото съединение е GaAs със кристална структура. Различните съединения излъчват светлина в различна част от светлинния спектър и следователно създават различни нива на интензивност на светлината. От цвета на излъчваната светлина обикновено зависи и оцветяването на корпуса на светодиода.

green LED

Това се прави, от една страна за да се засили излъчвания цвят светлина, а от друга, за да се различават светодиодите, когато не светят. LED са достъпни във широка гама от цветове, като най-разпространени са червен, жълт, кехлибарен и зелен.

red LED

По-новите цветове светодиоди са сини и бели, които днес също много се използват. За да бъдем по-конкретни в началото на деветдесетте години на миналия век, Исама Акасаки и Хироши Амано от университета в Нагоя, както и Судзи Накамура независимо от тях, откриват евтин син светодиод, за което през 2014г. получават Нобелова награда по физика.

blue LED

Скоро след откриването им тези светодиоди са били доста по-скъпи от останалите, поради по-високите производствени разходи, обусловени от необходимостта от смесване на два или повече химически елемента в точно съотношение помежду им и от цената на самите съставки.

В първата колона на таблицата са дадени дължините на вълните в нанометри, които обуславят излъчвания цвят.2012427165557140

 

В горната част на таблицата за получаване на тъмночервена светлина се използва споменатия по-горе галиев арсенид. Проблемът при него е, че излъчва част от светлината си в инфрачервената част на спектъра. Когато такъв LED се използва за телевизионни дистанционни управления, композита се оставя в този вид, но ако искаме излъчваната светлина да е във видимата част на спектъра добавяме фосфор.

Съотношението между различните химически елементи – полупроводници и излъчваната от техните съединения цвят светлина е следното:

– галиев арсенид – инфрачервено

инфрачервен LED

Инфрачервен LED диод

– галиев арсенид фосфат – червено до оранжево (в зависимост от съотношението)

– алуминиев галиев арсенид фосфат – високоярко червено, оранжевочервено, оранжево, до тъмно жълто

-галиев фосфат – червено, жълто и зелено

-алуминиев галиев фосфат – зелено

– галиев нитрит – зелено, смарагдово зелено

– галиев индиев нитит – синьо, синьозелено, ултравиолетово

– силикон карбид – синьо лазурно

– цинк селенид – яркосиньо

-алуминий галиев нитрид – ултравиолетово

Подобно на конвенционалните диоди с PN преход, LED са токозависими устройства, но зависят и от пада на напрежение върху тях. Напрежението, при което започва производството на светлина е около 1.2V за стандартен червен светодиод и стига до около 3.6V за син светодиод. Конкретния пад на напрежението зависи от различните добавки в производството на LED. Светодиодите са нелинейни елементи, както се вижда и от волт-амперната им характеристика. Нека разгледаме стойностите на напрежението при ток 20mA. Тъй като LED е вид диод, V-A характеристики имат вид, както при другите диоди, но в зависимост от цвета могат да се различават за всеки цвят. Прави впечатление, че при малки изменения на напрежението се получават големи изменения на тока през прехода. Обратното също е вярно – напрежението върху прехода остава почти постоянно при големи изменения на тока, който протича през него.

diode12Светодиодите имат няколко основни характеристики, които са:

  • максимална разсейвана мощност – обикновено е в mW, но вече има мощни светодиоди, разсейващи десетки ватове;
LED 50W

Мощен LED диод с разсейвана мощност 50W

  • Това е мощността, която LED може да разсее без повреда и зависи от полупроводниковата сплав и от корпуса на светодиода;
  • светлинна интензивност – в mcd (миликандели), зависи от вида и свойствата на полупроводниковия материал и от качеството на лещата пред LED;
  • максимален продължителен ток в права посока – посочва се в mA и представлява максималния ток, който преминава през прехода продължително време без да предизвика повреди в светодиода;
  • максимален пиков (импулсен) ток в права посока – също в mA. Важно е да се посочи, освен неговата големина, какво е времето, през което минава през светодиода, както и времето на пауза преди повторното му протичане, т.е. коефициент на запълване на импулсите;
  • напрежение в права посока – определя се във V (волтове) това е падът на напрежение между двата извода на светодиода, когато през него протича ток с определена стойност;
  • максимално напрежение в обратна посока – при включване на светодиода в обратна посока на практика през него не протича ток, но ако се превиши параметъра максимално напрежение в обратна посока – светодиода изгаря;
  • цвят на светене.

В следващата част на статията, посветена на светодиодите, ще разгледаме схемите на свързване, използването на токоограничители за светодиоди, както и светодиоди с повече от един цвят на светене.

 

 

 

 

Jun 152015
 

Наименованието „транзистор“ е въведено от Джон Пиърс, който е съкратил думите трансферен резистор. Относно изобретяването на първия транзистор нещата са малко спорни и са свързани с определението за транзистор – полупроводников триод с три извода, при който входния сигнал управлява тока в електрическата верига. Транзисторът е активен електронен елемент, осъществяващ усилване, превключване и преобразуване на електрически сигнали. Тъй като през годините различни учени по един или друг начин са се доближавали в експериментите си до устройство с подобни характеристики, не може категорично да се приеме кой е измислил съвременния транзистор. Това, което е сигурно е, че в лабораториите на Bell (Bell labs) Уилям Шотки, Уолтър Братейн и Джон Бардин създават първия биполярен транзистор през 1947г.  През 1956г. те получават Нобелова награда за физика за изследванията си с полупроводници и „откриването“ на транзистора. Транзисторът се състои от 3 последователно съединени зони с различен преход PNP и NPN.

транзистори

транзистор

Трите зони се наричат съответно  емитер, колектор и база при биполярен транзистор. Първоначално названието транзистор се е използвало за резистор, управляем по напрежение. Всъщност транзисторът може да бъде представен като съпротивление, което може да се регулира от напрежение на един от електродите. Транзисторът е активен полупроводников елемент, намиращ приложение в практически всички електронни устройства. Повечето транзистори се използват като съставна част от интегралните схеми и може да се достигне до милиони транзистори интегрирани в един полупроводников чип. Годишно се произвеждат милиарди самостоятелни транзистори, а така също и още толкова чипове включващи освен транзистори, резистори, кондензатори и др.

Трите основни схеми за свързване на транзистора са:

-общ емитер – осъществява усилване както по ток, така и по напрежение (най-разпространената схема);

p-n-p-common-emitter-configuration

-0бщ колектор – осъществява усилване по ток;

n-p-n-common-collector-configuration

-обща база – осъществява усилване по напрежение;

p-n-p-common-base-configuration

Според типа на използвания полупроводник транзисторите се делят на силициеви, германиеви, галиеви, арсенид-галиеви, полупроводникови полимери  и др.

Според мощността транзисторите се делят на:

-маломощни транзистори- до 100mW;

-средномощни транзистори- от 0.1 до 1W;

-мощни транзистори – над 1W.

Видове транзистори

Транзисторите могат да бъдат изключително разнообразни, затова ще се спрем само на най-разпространените видове:

1. Биполярни транзистори

Това са най разпространените дискретни полупроводникови елементи. Наименованието идва от това, че тяхната проводимост се осъществява от два (би) вида токоносители – електрони и дупки. Биполярният транзистор представлява полупроводник с два PN прехода и трислойна полупроводникова структура с различна проводимост на отделните слоеве. Има два вида биполярни транзистори: с PNP преход и NPN преход. Двата крайни слоя на биполярния транзистор се наричат емитер и колектор, а средния слой – база. Базата има проводимост обратна на проводимостта на емитера и колектора. Като правило трабва да се отбележи, че биполярният транзистор е полупроводников елемент, който се управлява по ток.

product_large_57068

Независимо от начина на свързване в схемата биполярният транзистор има за управляваща верига прехода база-емитер, съответно управлявяната верига е колектор-емитер. В зависимост от механизма на движение на токоносителите, биполярните транзистори могат да бъдат дифузни и дрейфови, а според начина, по който са направени, различаваме сплавни, мезатранзистори, конверсионни и др. Биполярните транзистори основно се използват като усилватели в електронните схеми. Два или повече биполярни транзистора могат да бъдат свързани по начин образуващ усилвател с три извода. Това се нарича съставен транзистор. Тази схема се прилага, когато искаме да получим по-голям коефициент на усилване по ток. Друга често използвана схема, позволяваща усилване по ток е схемата Дарлингтон. При нея най-често се свързват транзистори, като всеки следващ е по-мощен от предишния. Схемата гарантира голям коефициент на усилване по ток, но трудно се осъществява нейната топлинна стабилност.

 

2. Полеви транзистор

За изводите на полевите транзистори се използват английските наименования сорс, гейт и дрейн. Електрическите характеристики на полевите транзистори са близки до тези на електронните лампи тип пентод. Полевите транзистори имат високо входно съпротивление и могат да се използват като резистори, управляеми по напрежение. Полевият транзистор има електрическа проводимост на активната област между два електрода – канал, създаден умишлено в полупроводников материал, контролирана от електрическо поле, създадено от третия електрод. Каналът в полевия транзистор е обогатен с електрони и тогава се получава N проводимост, или е обеднен от електрони, за да се получи P проводимост.

product_large_54810

Заобикаляща канала проводимост е противоположна и възниква PN преход. В зависимост от изолацията между гейта и сорса има транзистор с изолиран гейт т.н МОS транзистор (metal oxid semiconductor) и транзистори с PN преход, при които гейта и канала образуват NP преход. В зависимост от проводимостта на канала имаме с Р канал (електронна проводимост) и с N канал (дупчеста проводимост). В зависимост от броя гейтове, имаме едногейтови е двугейтови транзистори. Двугейтовия транзистор има характеристики близки до електронната лампа хептод. Има също така TFT транзистор – много тънък транзистор от аморфен силиций, MOSFET полеви транзистор и др. Най-използван обаче си остава  MOS транзистора.

3. Транзистор на Шотки

Наречен на немския физик Валтер Шотки, този транзистор се получава, когато между колектора и базата на обикновен транзистор се свърже диод на Шотки. Това цели повишаването на бързодействието на транзистора. Тази схема работи в импулсен режим. В нормален усилвателен режим, диодът е запушен и не оказва влияние на работата на транзистора, когато обаче на входа се подадат краткотрайни импулси с големита 3-5V, диодът на Шотки се отпушва и част от входния ток се отклонява през него, като така предотвратява високо насищане на базата от неосновни токоносители, забавящо времето на превключване на транзистора.

4. Други транзистори

IGBT – наименованието IGBT идва от Insulated-Gate Bipolar Transistor. IGBT e триелектроден биполярен мощен електронен елемент използван главно като мощен електронен ключ в импулсни захранвания, инвертори и в системи за контрол на електрически задвижвания.

JFET e полеви транзистор с управляващ PN – преход. Наименованието JFET идва от Junction Field – Effect Transistor. В транзисторите JFET управлението на изходния ток се осъществява посредством входното напрежение.

MOSFET – metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (метал–оксид–полупроводников транзистор с полеви ефект). Той представлява електронна версия на ключ. MOS ключове се използват широко в компютри, микропроцесори, памети, периферни схеми и други. Предимства: високо входно съпротивление, ниска консумация на мощност, по-добра температурна стабилност, слаба чувствителност към радиация. Използват се в силовата електроника, аудио техниката, медицинската електроника, интегралните схеми, компютърна, автомобилна, авиационна, космическа индустрии, домакински уреди и др. Могат да са два типа: P-канален MOS-P-FET и N-канален съответно MOS-N-FET.

Фототранзистор – високочувствителен полупроводников  малкоинерционен преобразувател на светлинни сигнали в електрически. Фототранзисторите могат да усилват електрическия поток,  генериран чрез светлина. Фототранзисторите се предпочитани пред фотодиодите при необходимост от голяма мощност на изхода. За емитер се използва падащият светлинен сноп.

foto

Имаме и други транзистори, които намират приложение при създаването на електронни схеми като: VMOS, LDMOS, EOSFET, MODFET, MESFET и др.

Най-голямо приложение в съвременната цифрова техника намира MOSFET транзистора, като неговите размери непрекъснато намаляват. Размерът на съвременните MOSFET транзистори са от 90 до 8 нанометра. В един кристал с размери 1-2 кв.см. могат да се съберат няколко милиарда MOSFET. Намаляването на размерите на транзисторите увеличават тяхното бързодействие, а оттам и бързодействието на процесорите, като това допринася за намаляване на консумацията на енергия и отделянето на топлина. Навлиза също така използването на триизмерни интегрални схеми, което допълнително подобрява бързодействието и увеличава производителността на процесорите с повече от 30%.

Транзисторите успешно са изместили ползваните преди това вакуумни електронни лампи, поради своите преимущества, като малки размери, възможност за висока степен на автоматизация на производствените процеси, което води до снижение на стойността на произвежданите елементи, много дълъг живот, здравина, възможност за съчетание с различни допълнителни устройства и др.

5. Основни параметри на транзисторите

– максимално допустима разсейвана мощност – най-голямата мощност, която може да се отдели в колектора без да го повреди;

– максимално допустимо напрежение колектор-база и колектор-емитер – най-голямото напрежение, което може да се подаде между съответните изводи на транзистора без да го повреди;

– максимално допустим колекторен ток – най-големия ток на колектора, който може да протича дълго време без да го повреди;

– транзитна честота – най-голямата честота при схема ОБ (обща база), при която усилването по ток намалява с 30%;

– гранична честота – най-високата честота при схема ОЕ (общ емитер), при която усилването по ток намалява с 30%;

– коефициент на усилване по ток – показва колко пъти колекторния ток е по-висок от входния базов ток при схема ОЕ;

 

 

 

 

 

 

 

Jun 122015
 
Ethernet_Cable_Straight-Through_568B

Как да си направим Ethernet кабел (кабел за интернет)?

Ако трябва да свържем два компютъра ще ни е необходим Ethernet (или LAN кабел). Кабелите с накрайници, които се продават в магазините, т.е. така наречените готови кабели са по-скъпи, а и не винаги има необходимата ви дължина.

cross cable

За да си направим сами LAN кабел с конектори ще са ни необходими 3 неща:

– еthernet кабел (UTP или FTP)

UTP

кримпващи клещи за Rj45

клещи за кримпване

Rj-45 конектори

Rj45

Кабелите за компютри могат да са основно две категории CAT5e и САТ6. Втората категория – САТ6 са с по-добри експлоатационни характеристики и са около 20-30% по-скъпи. Освен това кабелите могат да са UTP или FTP. При FTP кабелите имаме екранировка, под общата външна изолация, която пази кабела от високочестотни смущения.

FTP

Начина на подреждане на проводниците може да е два вида: прав (или стандартен) или кросоувър (кръстосан). Има и така наречения rollover кабел.

RJ45_T586B

RJ45_T586A

Правото (стандартното) подреждане се използва в почти всички случаи. Кабелите се подреждат в следната последователност: оранжево-бяло, оранжево, зелено-бяло, синьо, синьо-бяло, зелено, кафяво-бяло, кафяво. Това е 568В стандарт. Служи за свързване на компютъра към розетката. Прави впечатление, че зеления проводник е поставен след сините. Това се прави за по-дълги линии. В другия край на кабела подредбата е същата.

Ethernet_Cable_Straight-Through_568B

 

Обърнатото (или кросоувър) подреждане на проводниците в конектора се използва за директно свързване на един компютър с друг, без да се използва рутер, комутатор или хъб. Също за свързване на рутер с рутер и други еднотипни устройства.Това е 568А стандарт. При него от едната страна на кабела се използва подредбата посочена по-горе в текста, а от другата страна подредбата е следната: зелено-бял, зелен, оранжево-бял, син, синьо-бял, оранжев, кафяво-бял, кафяв.

RJ-45_Crossover_Ethernet_Cable

lancable

 

Rollover кабела известен също и като cisco конзолен кабел се използва за свързване на компютърния терминал към рутера. Този кабел е плосък и често е оцветен в синьо, за да се отличава от другите мрежови кабел. При него транспозицията е пълна, т.е. проводник 1 отива на позиция 8, проводник 2 на позиция 7 и т.н.

Rollover

127840

 

 

Външната обща изолация на кабела се изрязва или със специални клещи за отстраняване на външна изолация, или с макетно ножче много внимателно, като се внимава да не се нарани изолацията на отделните проводници. След отстраняване на външната изолация между проводниците и края на кабела трябва да има около 2.5см. или 1 инч. След това се подреждат проводниците по един от двата изброени по-горе начина в една равнина и се подравняват чрез изрязване с ножица или малки резачки на около 1.3см. или 0.5инча. Повечето съвременни клещи за кримпване (кербоване) имат такава представка.

клещи за кримпване на телефонни и компютърни кабели

Вземете конектора с гладката страна към вас, щипката да остане отдолу.  Пъхнете кабела в конектора, като внимавате да не се разместват краищата на проводниците. Трябва да се внимава проводниците да стигнат до самия край на буксата, а така също края на външната изолация да влезе в конектора. Огледайте конектора Rj45 отгоре. Трябва краищата на проводниците да са между металните пластини в края на буксата. Когато се уверите, че всичко е наред вкарайте конектора в кримпващите клещи и притиснете силно. Кримпващите клещи ще заголят всеки един от осемте проводника и ще го фиксират неподвижно в конектора. След като извадите конектора от клещите, кабелът ще е готов за употреба. Остава да повторите операцията от другата страна на кабела. След това може да използвате кабелен тестер, за да се уверите, че кабелът работи правилно, когато и двата края са кримпнати. Трябва да се има предвид, че LAN кабел над 100м, не може да гарантира високо качество на сигнала и ще трябва по трасето да се сложи някакъв усилвател.

 

Jun 092015
 

Амперметърът е уред за пряко измерване на електрическия ток в ампери. Електрическия ток е насочено движение на свободни електрони под въздействието на електрическо поле. Ампер е мерната единица за силата на тока. Ампер е една от 7-те основни величини в системата SI. Наименованието идва от фамилията на френския физик, откривател на електромагнетизма Андре-Мари Ампер. Скалите на амперметрите са разграфени в микроампери, милиампери, ампери или килоампери, в зависимост от работния диапазон на измерване на уреда.

ampermeter tokov transformator 800-5

Като правило амперметъра се включва последователно в електрическата верига, за разлика от волтметъра.

ampermetar

Така също вътрешното съпротивление на амперметъра трябва да е безкрайно малко. В идеалният амперметър вътрешното съпротивление е равно на нула. Всяка стойност на съпротивлението на уреда различна от нула влияе на измервания ток, защото след включване на амперметъра в електрическата верига, освен товарното съпротивление, на измерването ще влия и съпротивлението на амперметъра.

V-A

Колкото по-голяма е разликата между товарното съпротивление и вътрешното съпротивление на амперметъра, толкова уреда е по-точен при равни други условия.

ampermeter60AC

Често в практиката се налага увеличение на обхвата на измерване на амперметъра, тогава се използва шунт

шунт

– за вериги с променлив и постоянен ток, токов трансформатор (обикновено с предаватално отношение 100/5 или 250/5, 75/5)

токов трансформатор

– за вериги само с променлив ток и магнитен усилвател за вериги само с постоянен ток. Амперметрите за измерване само на постоянен ток

ampermetar DC

 

са магнитоелектрически, за променлив ток — детекторни и индукционни, за постоянен и променлив ток — електромагнитни, електродинамични, термоелектрически, топлинни. Произвеждат се като преносими уреди (клас на точност 0,1-0,5) или за командно табло (1-2,5). Амперметрите, както и волтметрите служат не само за измерване на конкретна електрическа величина в конкретен момент от времето, но и за системно следене на тока и напрежението в наблюдавана електрическа инсталация. Поради тази причина към тези уреди са включени определени защити или аларми, които да сработят ако тока или напрежението превишат някаква предварително зададена критична точка. За измерването на големи токове се използват шунтиращи резистори, които се свързват паралелно в амперметъра. Повечето ток минава през шунтиращата верига и само малка част преминава през амперметъра, това позволява на амперметъра да измерва големи токове. Понеже шунтиращите елементи имат много малко съпротивление, ако се свърже амперметърът паралелно с източник на напрежение, ще се получи късо съединение, заради което може да изключи предпазителят и/или да се повреди уреда. Амперметрите, както и волтметрите, често участват в комплексен многофункционален уред, какъвто е мултицета от зората на неговото създаване. Дори първите мултицете се наричали авометри (от ампер-волтметри).

Най-разпространените амперметри са тези, при които движещата се част на уреда представлява стрелка неподвижно фиксирана върху електромагнит, който се завърта около оста си пропорционално на протичащия през намотката му ток, в резултат стрелката се предвижва по скалата. Като противодействие на въртящия момент е поставена пружина. Когато силата на пружината се изравни със силата с която преминаващия през бобината ток завърта стрелката, тя ще покаже стойността не преминалия през амперметъра ток. Това просто устройство може да бъде снабдено с електронна схема, която да усилва преминаващият през бобината ток. Често е добавена защита, която да спаси амперметъра от изгаряне при неправилно свързване и др. В последните години все по-голямо приложение намират уреди с дисплей с течни кристали

ampermeter digital

 

или светодиоди.

digital ampermeter

В електродинамичните системи балансът на системата се постига чрез две намотки свързани последователно или паралелно (използват се и двете схеми), като едната е подвижна, а другата неподвижна. Стрелката е прикрепена към подвижната намотка. Преминаващият през намотките ток предизвиква отклонение на стрелката по скалата.

Върху скалите на амперметрите е изписана степента им на точност, дали е за постоянен или променлив ток (или и за двата), както и мерните единици (А, mA, kA и т.н.). Понякога е дадена схематично и измервателната система, така например електромагнитната система се изобразява чрез един опростено представен магнит. Произвеждат се амперметри за DIN шина с ъглова скала, които се поставят в елтабла, където при инспекция от оторизирани лица се контролират параметрите на електроинсталацията.

ampermeter DIN shina

Jun 042015
 

Волтметърът е инструмент служещ за измерване на разлика в потенциалите на две различни точки от електрическата верига. Напрежението е причина за насоченото движение на електроните. Единицата за измерване на напрежение е волт на името на италианския учен Александро Волта. Като определение един волт е напрежение в участък от електрическата верига, в която протича ток един ампер и разсейва мощност един ват. Според своето устройство волтметрите могат да са електромеханични и електронни – аналогови и цифрови. Електромеханичните от своя страна се делят на магнитоелектрични, електромагнитни, електродинамични, електростатични, термоелектрични, диодно-компенсаторни и др.

voltmeter

Стрелкови волтметър със симетрична скала за монтиране в пулт.

 

Електронните могат да бъдат аналогови и цифрови. Според мястото, където се извършва измерването волтметрите са стационарни, монтирани в пултове за управления или преносими, за измерване на потенциалната разлика между два проводника при работата на електротехници или в лабораторни условия. Волтметърът, като правило, се включва паралелно на източника на електрическа енергия,

V

Принципна схема на измерване на напрежение чрез волтметър

 

за разлика от амперметъра, който се включва последователно във веригата. Ако трябва да направим най-елементарната схема с едновременно включени волтметър и амперметър, тя ще изглежда примерно така:

V-A

Използване на волтметър и амперметър във постояннотокова верига.

 

Идеалният волтметър има безкрайно голямо вътрешно съпротивление. При реалния волтметър съществува правопропорционална зависимост между големината на вътрешното му съпротивление и неговата точност, защото колкото по-голямо е собственото му съпротивление, толкова по-малко влияние оказват външни фактори върху измерваната величина.

voltmeter DC-AC transf

Волтметър за измерване на променливо и постоянно напрежение

 

Според характера на измерваната величина волтметрите се делят на: постояннотокови, променливотокови, импулсни, фазочувствителни, селективни и универсални.

Електромеханичните волтметри са обикновенно с показател на величината във вид на стрелка върху скала, макар, че има и такива, при които непрекъснатото (аналоговото) показание се „имитира“ чрез цифров дисплей. За да се увеличи диапазона на измерване на волтметъра се поставят допълнителни съпротивления. Точността на волтметрите е от няколко процента, до хилядни части от процента при лабораторните уреди.

volltmeter AC

Волтметър за измерване на напрежение в променливотокова верига

 

Електромагнитните волтметри са най-евтини при изработка, най-надеждни и имат най-прост принцип на действие. Най-разпространеното им приложение е като стационални уреди монтирани във електрически табла или пултове за управление в електростанции, промишлени предприятия и електроцентрали. Недостатък на този вид волтметри е сравнително високата им лична консумация (3-6W) и високата индуктивност на намотката, създаваща зависимост на точността на измерената величина от честотата.

Най-точни (най-чувствителни) са магнитоелектрическите, които обаче могат да се използват само в постояннотокови вериги. За да се използват във променливотокови вериги се прибягва да съвместната им употреба с термоелектрически, полупроводникови или електронно-лампови преобразуватели на постоянния ток в променлив. Такива волтметри, поради използването на тези преобразуватели, се наричат термоелектрически, изправителни, или електронни и намират основно приложение в лабораторнната практика. Изправителните волтметри се използват за измервания в диапазона на звуковите честоти, а термоелектрическите и електронните – при високите честоти. Основния недостатък на правилността на показанието на тези волтметри е правилността на синусоидата на измерваното напрежение.

Електронните волтметри имат по-сложно устройство, като се използват различни малогабаритни съпротивления, и кондензатори, а в миналото и електронни лампи. Това прави този тип волтметри недостатъчно стабилни и надеждни, но поради своето много високо входно съпротивление те са незаменими при измерване на маломощни радиотехнически вериги при широк честотен диапазон – от 50Hz до 100MHz с точност под 3%.

Електронните аналогови волтметри се състоят, освен от магнитоелектрически измервателен уред и допълнителни съпротивления, също и от диференциален усилвател с малки постояннотокови смущения, малък дрейф, малък шум, много висок коефициент на усилване на сигнала при отворена верига на обратната връзка, много висок коефициент на отслабване на синфазния сигнал и високо входно съпротивление. Диференциалния измервателен усилвател се използва, за да се постигне висока точност на измерване и стабилност на схемното решение. Измервателният усилвател представлява тип двукаскаден усилвател.

Цифровите електронни волтметри преобразуват измерваното постоянно или бавно променящо се напрежение в дискретен електрически код чрез аналогово-цифров преобразувател. По този начен измерваната стойност се визуализира на дисплея в дигитален вид.

voltmeter digital

Дигитален променливотоков волтметър

 

Принципа на действие на диодно-компенсаторните волтметри се състои в сравняване на измерваното напрежение чрез вакуумен диод с еталонно напрежение тип DC, което е регулируемо и чиито източник е самия волтметър. Предимството на този метод е широкият работен диапазон на честотата на измерваното напрежение – от 1 Hz до стотици MHz с висока точност.

Импулсните волтметри се използват за измерване на амплитудата на периодични импулсни сигнали с голям коефициент на запълване и висока амплитуда на единичните импулси.

Селективните волтметри могат да диференцират отделните хармоници в сигнал със сложна форма и да изчисляват средноаритметичната им стойност.

Други видове волтметри са: киловолтметър

kilovoltmeter

 

миливолтметър, за измерване на ниски напрежения mV, микроволтметър, за измерване на много ниски напрежения – под 1 mV, нановолтметри за измерване на напрежения под 1 µV.

Фазочувствителните волтметри (векторметри) измерват съставляващите напрежения на първия хармоник на напрежението. Те имат две скали – едната за активната съставяща и друга за реактивната. По този начин фазочувствителните волтметри дават възможност за определяне на комплексното напрежение, както и неговите съставящи, приемайки за нула определена начална стойност на опорно напрежение. Тези волтметри се използват за определяне на амплитудно-фазовата характеристика на усилвателите, а така също и за определяне на това, доколко една мрежа има активен характер. По стандарт cosϕ трябва да е по-голям от 0.8 в електропреносните мрежи за битови абонати. Влошаването на фактора на мощността се предизвиква от товари с реактивен характер, като различни двигатели, индуктивности и др. Чрез фазочувствителен волтметър можем да измерим и сравним двете съставки на напрежението – активна и реактивна.

Волтметрите за измерване на постоянно напрежение имат указана на корпуса полярността им на включване: „+“ и „-“ с цел недопускането на грешки при включването им.

voltmeter DC

Волтметър за измерване на постоянно напрежение

 

Съвременните преносими волтметри имат превключвател на диапазона на измерване. Често волтметъра е включен в устройството на мултимера, но за лабораторни цели, където се изисква висока точност, може да бъде и като самостоятелен уред. Разпространение намират и волтметри предназначени за монтаж на DIN шина.

voltmeter shina

Волтметър за еврошина

 

В практиката волтметър или мултицет, настроен да измерва напрежение, се използва при измерване на напрежението на вторичната намотка на включен към мрежата трансформатор. На първо място трябва да се съблюдават елементарни мерки на безопасност. Например, добре е при напрежение над 24V да не се докосват оголените краища на проводника, защото през тялото ви може да протече ток. За тази цел може да използвате сонди тип крокодил, с които да хванете свободните краища на вторичната намотка, преди захранване на първичната намотка, като така ръцете ви ще останат свободни. Напрежението преобразувано от трансформатора е променливо по характер, защото трансформатора трансформира големината, но не и характера му, затова е добре да имате предвид това, когато поставяте превключвателя на определената позиция преди измерване. Ако измереното напрежение е повече от посоченото на трансформатора, не мислете, че има проблем с него. Това е така, защото вторичната верига не е затворена от товар. При включване на товар, измерваното напрежение ще е спадне малко. Разликата между напрежението на празен ход и при свързан консуматор е толкова по-голяма, колкото по-маломощен е измервания трансформатор. Друго често приложение в бита на волтметър, като отделен уред или като съставна част от мултицет е, когато искаме да измерим степента на разреждане на батерии или акумулатори. В този случай измерваме постоянно напрежение. Целта е да сравним доколко напрежението се различава от посоченото на указателната табелка или корпуса. Колкото по-ниско е от посоченото, толкова е по разредена батерията.

Измерване с мултицет на напрежение

Измерване на напрежението на батерия

 

Нека разгледаме и случая, в който се налага да измерим пада на напрежение на един резистор, който се явява част от електронна схема. Независимо, че включваме волтметъра паралелно на товара (резистора) ако той е малък, през волтметъра ще протече някакъв обратен ток. Волтметърът създава паралелен път за тока протичащ през електрическата верига, т.е. явява се шунт. Така част от тока се отклонява от електрическата верига и преминава през шунта – волтметъра, след това отново се връща във веригата.

shunt

Измерване на пада на напрежение на резистор

 

Според закона на Ом, напрежението на измерваната част от веригата ще се определи от протичащия през тази част на веригата ток и нейното съпротивление. Да, но ние шунтирахме веригата и част от тока протича през шунта. Доколкото съпротивлението е неизменно, а тока е по-малък, то и напрежението ще се измени. С други думи ние измерваме напрежение, което е променено от включването на волтметъра към веригата. Следователно колкото и да е точен волтметъра, измерването е не е точно. Как се преодолява този принципен проблем? Как да намалим въздействието на измервателния уред върху електрическата верига, към която е включен? Както стана дума по-горе е необходимо да се увеличи входното съпротивление на волтметъра, защото колкото е по-високо входното съпротивление на уреда, толкова по-малък ток ще протече през него и по-точни резултати ще имаме от измерването. Съвременните цифрови волтметри имат достататъчно високо съпротивление и не влияят на измерваната величина.

При измерването на напрежение със сонди тип пипала е важно проводника, към който се допират да бъде старателно зачистен. Не е достатъчно да се отстрани само изолацията му, но и трябва да се почисти лаковия слой, който е върху него, защото лошия контакт може също да компрометира измерването. Препоръчва се проводника да се усуче върху края на сондите за по качествен контакт и по-голяма контактна площ.

Волтметрите са основен измервателен уред, намиращ широко приложение в бита и индустрията, често в състава на мултицет, волтметрите се използват ежедневно от милиони хора по целия свят. Както показахме в материала те могат да бъдат най-разнообразни видове в зависимост от характера на измерваната величина, принципното им устройство и приложението.