Для измерения напряжений в различных цепях радиолюбительских конструкций Вы обычно пользуетесь авометром, работающим в режиме вольтметра. Но иногда забываете, что этот прибор потребляет ток, обладая сравнительно низким входным сопротивлением, и поэтому является нагрузкой для контролируемой цепи. Вот почему результаты измерений могут иногда значительно отличаться от истинных значений напряжений. Как быть?

Прежде всего нужно помнить, что авометр, например Ц-20, обладает входным сопротивлением около 6 кОм/В и пользоваться им можно лишь для контроля параметров низкоомных цепей, по которым протекает значительный, по сравнению с измерительной цепью, ток.

Для проверки же высокоомных цепей нужно повысить относительное входное сопротивление авометра хотя бы до сотен килоом на вольт. Поможет здесь:

Приставка-вольтметр постоянного тока

Схема такой приставки приведена на рис. В-1. В ней используется полевой транзистор с каналом n-типа КП303Д, позволивший в итоге повысить входное сопротивление вольтметра до 10 МОм. Транзистор включен по схеме с общим истоком (истоковый повторитель). Чтобы он работал на линейном участке характеристики, нужное напряжение смещения на затворе создается резистором R7, включенным в цепи истока. К истоку подключен индикатор РА1 — авометр Ц-20, работающий в режиме измерения постоянного тока на пределе 0,3 мА. Для компенсации начального напряжения на истоке второй вывод индикатора подключен к переменному резистору R9, позволяющему установить стрелку индикатора на нулевое деление шкалы перед началом измерений.

На входе приставки включен делитель напряжения, составленный из резисторов R1—R5. Измеряемое напряжение подается на гнезда XS1 и XS2 в указанной на схеме полярности. В зависимости от предполагаемого максимального значения измеряемого напряжения переключатель SA1 устанавливают в то или иное положение. При этом напряжение на подвижном контакте SA1.1 переключателя не должно превышать 1 В — это напряжение, соответствующее отклонению стрелки индикатора до конечного деления шкалы. Чтобы защитить транзистор от возможных перегрузок при случайной подаче чрезмерно большого напряжения, в цепь затвора включен ограничительный резистор R6. А чтобы исключить влияние различных наводок переменного напряжения на высокоомные входные цепи приставки, между затвором и общим проводом включен конденсатор С1.

Питается приставка от батареи 3336 или трех последовательно соединенных элементов 343, 373. Потребляемый ток не превышает 7 мА. Выключателем питания служит секция SA1.2 переключателя поддиапазонов измерения.

Постоянные резисторы могут быть МЛТ мощностью не менее 0,25 Вт. Каждый из резисторов R1—R5 делителя желательно составить из двух последовательно соединенных резисторов, сопротивление одного из них равно 80...85% сопротивления добавочного резистора. Резистор R1, например, можно составить из резисторов сопротивлением 2,7 МОм и 620 кОм. Это позволит в дальнейшем точнее подбирать соответствующие сопротивления резисторов делителя входного напряжения. Налаживание приставки значительно облегчится.

Переменный резистор R9 может быть СП-I или другой. Переключатель SA1 — галетный на пять положений и два направления (типа 5П2Н), конденсатор — бумажный (БМ, МБМ) или слюдяной (КСО). Полевой транзистор серии КП303 или другой, с указанным на схеме типом канала, начальным током стока (при напряжении 4,5 В) не менее 5 мА и крутизной характеристики не менее 2 мА/В. Эти требования объясняются использованием индикатора со сравнительно грубой шкалой — 0,3 мА. Если бы в авометре Ц-20 был поддиапазон измерений 0,1 мА (100 мкА), тогда можно было бы применить транзистор КП103Ж — КП103Л.

Для проверки полевого транзистора и измерения его параметров можно воспользоваться схемами, приведенными на рис. В-2. Сначала по схеме рис. B-2,a измеряют начальный ток стока. Затем, включив между затвором и истоком гальванический элемент напряжением 1,5 В, измеряют по схеме на рис. В-2,б крутизну характеристики. Для этого определяют уменьшение тока стока по сравнению с предыдущим измерением и подставляют полученное значение в формулу

S = DIст/Uзт

где S — крутизна характеристики транзистора, мА/В; DIст — разность токов стока, мА; Uзт — напряжение на затворе, В.

Отобранные детали приставки размещают в подходящем корпусе. Это может быть и самодельный корпус, изготовленный, например, из тонкого листового алюминия (рис. В-З).

Налаживание приставки сводится к подбору резистора R7. К зажимам ХТ1 и ХТ2 подключают авометр, работающий на пределе измерения постоянного тока 0,3 мА, а переключатель приставки устанавливают в положение «1,5 В». Переменным резистором R9 подводят стрелку индикатора авометра к нулевому делению шкалы. Затем подключают к гнездам приставки источник постоянного тока напряжением 1,5 В (например, элемент 332). Если стрелка индикатора отклонится дальше конечного деления шкалы, резистор R7 должен быть несколько меньшего сопротивления. Нужно подобрать такой резистор, чтобы стрелка индикатора отклонилась точно на конечную отметку шкалы. При каждой замене резистора следует временно отключать элемент от входных гнезд и устанавливать резистором R9 стрелку индикатора на нуль шкалы. Подбор резистора можно считать законченным, если при подключении элемента стрелка индикатора устанавливается точно на конечном делении, а при отключении возвращается на нуль.

После этого следует проверить показания индикатора на других поддиапазонах. Для поддиапазона «6 В» ко входу приставки можно подключить четыре последовательно соединенных элемента по 1,5 В. Если последовательно с такой батареей включить еще «Крону», удастся проверить показания прибора на поддиапазоне «15 В» и т. д.

Приставка может иметь другие поддиапазоны измерений. В этом случае придется пересчитать сопротивление резисторов делителя напряжения. Но суммарное их сопротивление в любом случае должно остаться прежним — около 10 МОм.

Расчет сопротивлений резисторов делителя ведут по следующим формулам:

где R1—R5 — сопротивления резисторов делителя, МОм; Rобщ — общее сопротивление делителя, равное 10 МОм; Uвх — входное напряжение, соответствующее полному отклонению стрелки индикатора, 1 В; Uизм — выбранный поддиапазон измерения.

Эти формулы позволяют рассчитать делитель при любом общем его сопротивлении, являющемся входным сопротивлением вольтметра, а также при любом получившемся входном напряжении, требующемся для полного отклонения стрелки индикатора данного авометра.

Приставка-вольтметр переменного тока

Предназначена для повышения входного сопротивления авометра Ц-20 при измерении переменного напряжения. Приставка несколько напоминает по схеме (рис. В-4) предыдущую, но в отличие от нее здесь нет конденсатора фильтра и вместо постоянного резистора в цепь истока транзистора включен подстроечный R7. С его движка переменное напряжение поступает через конденсатор С1 на выпрямитель на диодах VD1 и VD2, включенных по схеме удвоения напряжения. Выпрямленное напряжение подается далее через зажимы ХТ1, ХТ2 на индикатор РА1 (авометр Ц-20 в режиме измерения постоянного тока до 0,3 мА).

Резисторы R1—R5 входного делителя имеют такие же номиналы, что и в предыдущей приставке. Диапазон измеряемых напряжений ограничен до 60 В, но при желании его можно увеличить, введя добавочные резисторы.

Транзистор должен быть с такими же параметрами, что и для предыдущей приставки. Подстроечный резистор — СП-1 или другой. Конденсатор С1 — К50-6, но можно использовать К50-3 или другой на номинальное напряжение не ниже 6 В. Диоды — серий Д2, Д9 с любым буквенным индексом. Источник питания — батарея 3336 или элементы напряжением 1,5 В в последовательном соединении.

Приставку можно смонтировать в таком же корпусе, что взят и для предыдущей, но резистор R7 установить внутри корпуса.

При налаживании приставки переключатель SA1 следует установить в положение «1,5 В» и подать на вход (гнезда XS1, XS2) переменное напряжение 1,5 В (эффективное значение). Движок подстроечного резистора устанавливают в положение, при котором стрелка индикатора авометра отклонится до конечного деления шкалы.

Отсчет результатов измерения ведут по шкале переменных напряжений авометра.

Высокоомный вольтметр постоянного тока

Это самостоятельный измерительный прибор с большим входным сопротивлением (10 МОм). По схеме (рис. В-5) он напоминает вышеописанную приставку к авометру для измерения постоянных напряжений, поэтому подробно рассказывать о его работе не имеет смысла. Правда, номиналы резисторов здесь иные, стрелочный индикатор применен более чувствительный — 100 мкА, а полевой транзистор с р-каналом.

Кстати, транзистор может быть КП103К—КП103М с начальным током стока 2...4 мА и крутизной характеристики не менее 1,5 мА/В. Роль индикатора РА1 выполняет микроамперметр М24 с рамкой сопротивлением 850 Ом. Под этот индикатор выбраны соответствующие поддиапазоны измерений. Нижний поддиапазон зависит от крутизны характеристики тока стока транзистора и при ее значении 2...2,5 мА/В может быть 0...0,2 В. Остальные детали — такие же, что и в предыдущих устройствах.

Возможная конструкция вольтметра показана на рис. В-6. На лицевой панели находятся переключатель, стрелочный индикатор, выключатель питания, входные гнезда и переменный резистор установки стрелки индикатора на нулевую отметку шкалы. Внутри корпуса на металлическом уголке крепят подстроечный резистор R8. Постоянные резисторы можно смонтировать на общей плате из изоляционного материала или припаять непосредственно к деталям, с которыми они должны соединяться: резисторы R1—R7 смонтировать на контактах переключателя, a R9, R11 припаять к выводам переменного резистора R10. Батарею питания удобно укрепить металлическим хомутиком на нижней съемной крышке корпуса.

Приступая к налаживанию вольтметра, движок переменного резистора устанавливают в среднее положение, а после подачи на прибор питания подстроечным резистором ставят стрелку индикатора на нулевое деление шкалы. Затем на входные гнезда вольтметра подают известное постоянное напряжение, например, 4,5 В (от батареи 3336) или 9 В (от батареи «Крона»). Переключатель 'SA1 переводят в соответствующее положение («5 В» или «10 В») и отмечают показания индикатора. Если стрелка показывает меньшее напряжение, чем подано на вход, необходимо переместить движок подстроечного резистора вверх по схеме, отключить источник входного напряжения, переменным резистором установить стрелку индикатора в нулевое положение и вновь подать входное напряжение. Если теперь, наоборот, стрелка показывает большее напряжение, движок подстроечного резистора перемещают вниз по схеме. Эту операцию надо повторить несколько раз, снимая входное напряжение и возвращая стрелку индикатора на нулевую отметку»

Может случиться, что движок переменного резистора окажется в одном из крайних положений и стрелку индикатора не удастся возвратить на нуль. Тогда нужно подобрать тот из резисторов (R9 или R11), возле которого находится движок. Еще лучше на время налаживания резисторы R9—R11 заменить одним переменным резистором сопротивлением 2,2 кОм, а после настройки измерить сопротивления верхнего и нижнего плеч его и припаять к выводам резистора R10 постоянные резисторы соответствующих сопротивлений.

После такой регулировки и при точно подобранных резисторах делителя точность показаний вольтметра на других поддиапазонах будет обеспечена.

Высокоомный вольтметр переменного тока с линейной шкалой

Шкалы переменных напряжений большинства промышленных и любительских измерительных приборов нелинейные. Это, конечно, неудобно, поскольку градуировку приходится наносить на шкалу индикатора или составлять таблицу и пользоваться ею при измерениях. Вот почему большее предпочтение отдается приборам, у которых шкала переменных напряжений линейная. Схема одного из таких вольтметров приведена на рис. В-7. Им можно измерять переменные напряжения от сотых долей вольта до 50 В в диапазоне частот 20 Гц...200 кГц. Входное сопротивление вольтметра высокое — около 10 МОм.

Измеряемое переменное напряжение поступает через разделительный конденсатор С1 на делитель, составленный из резисторов R1—R6. В зависимости от значения измеряемого напряжения часть его с соответствующей группы резисторов делителя поступает через контакты

переключателя SA1 и резистор R7 на затвор полевого транзистора VT1, включенного по схеме истокового повторителя. В цепь истока включен подстроечный резистор R8, с движка которого переменное напряжение поступает на вход усилителя, выполненного на биполярном транзисторе VT2. Усиленное им напряжение с нагрузочного резистора R11 подается через конденсатор С 4 на двухполупериодный выпрямитель на диодах VD3, VD4 и конденсаторах С5, С6. Нагрузкой выпрямителя является стрелочный индикатор РА1.

Чтобы шкала вольтметра стала линейной, в усилитель введена глубокая отрицательная обратная связь, напряжение которой снимается с коллектора транзистора VT2 и подается на его базу через резистор R10, конденсатор С3 и диоды VD1, VD2. Благодаря диодам эта связь получается нелинейной, что в конечном счете позволяет добиться линейной зависимости тока через индикатор от напряжения на входе усилителя.

Вольтметр питается от батареи GB1 напряжением 4,5 В и потребляет ток около 3 мА.

Требования, предъявляемые к транзистору VT1, такие же, что и для предыдущего вольтметра. Транзистор VT2 может быть серий МП39—МП42 со статическим коэффициентом передачи тока не менее 50. Подстроечный резистор R8 — СП-11 или другой, постоянные резисторы — МЛТ-0,25. Конденсатор С1 — БМ, МБМ, остальные конденсаторы— К50-6, К53-1. Стрелочный индикатор — типа М24 с током полного отклонения стрелки 100 мкА и сопротивлением рамки 850 Ом.

Особо следует сказать о подборе диодов. Они могут быть любые из серий Д9, Д311. Но все диоды нужно подобрать по прямому сопротивлению в трех точках вольтамперной характеристики. Для этого можно воспользоваться любым авометром, скажем Ц-20, работающим в режиме омметра. Надо измерить сопротивление отбираемых диодов в прямом направлении на различных поддиапазонах омметра (х1, х10, х100) и взять для прибора те из них, у которых параметры одинаковы или отличаются незначительно. Подобные измерения эквивалентны снятию вольтамперной характеристики диодов в тех точках потому, что на различных поддиапазонах омметра через диод протекают различные токи, так как входное сопротивление омметра и сопротивление диода образуют делитель напряжения источника питания авометра. Диоды VD3 и VD4, кроме того, следует подобрать по возможно большему обратному сопротивлению.

Внешне этот вольтметр может выглядеть так же, как и предыдущая конструкция, только на передней панели будет отсутствовать переменный резистор.

Налаживание вольтметра начинают с установки режима работы усилительного каскада на транзисторе VT2. Между выводом его коллектора и точкой соединения элементов R11, R10, С4 включают миллиамперметр со шкалой на 2...3 мА и подбором резистора R9 устанавливают в этой цепи ток 1 мА.

Затем на вход вольтметра (гнезда XS1 и XS2) подают калиброванное напряжение, соответствующее предельному значению одного из поддиапазонов измерения (0,5; 1; 5 В), устанавливают переключатель на данный поддиапазон измерения и подстроенным резистором R8 добиваются отклонения стрелки индикатора на конечную отметку шкалы. После этого подключают параллельно гнездам образцовый вольтметр и, плавно изменяя входное напряжение, проверяют линейность шкалы вольтметра. Если шкала нелинейная, подбирают резистор R10. После каждой замены этого резистора вначале подстроечным резистором устанавливают стрелку индикатора на конечное деление шкалы при предельном входном напряжении данного поддиапазона, а затем проверяют линейность шкалы. На время настройки резистор R10 можно заменить переменным, сопротивлением 680 Ом, измерить получившееся сопротивление и впаять в прибор резистор такого же или возможно близкого номинала.