Как подсказывает заголовок, рассказ пойдет об измерителе сопротивления — омметре. Возможно, Вы уже привыкли проверять резисторы с помощью авометра, работающего в режиме омметра, и поэтому не сразу обратите внимание на отдельный однофункциональный прибор, да еще собранный на транзисторе. Тем не менее в некоторых случаях он совершенно незаменим — когда нужно измерить весьма большое сопротивление. Ведь обычный авометр рассчитан на измерение сопротивлений до 0,5 МОм, и в лучшем случае до 1 МОм. Предлагаемый же омметр с полевым транзистором способен фиксировать сопротивления до 500 МОм и при этом питается всего от одной батареи напряжением 4,5 В.
Схема омметра приведена на рис. O-1. Его каскад, собранный на полевом транзисторе, — не что иное, как высокоомный вольтметр постоянного тока. И действительно, омметр, по сути дела, измеряет падение напряжения на делителе, образованном одним из резисторов R2—R6 и проверяемым резистором, подключенным к гнездам XS1 и XS2. Напряжение на делитель подается с движка переменного резистора R12, но, в отличие от вольтметра, на затворе транзистора относительно истока получается не положительное, а отрицательное напряжение. Поэтому, когда ко входу омметра не подключен проверяемый резистор, напряжение автоматического смещения на резисторе R7 компенсируется напряжением, снимаемым с движка переменного резистора R12, и стрелка индикатора будет находиться на конечном делении шкалы. Точнее положение стрелки регулируют переменным резистором R12 («Уст. oo»). Если же входные гнезда замкнуть проволочной перемычкой, то этого компенсирующего напряжения не будет и стрелка индикатора возвратится на нулевое деление шкалы.
Стрелку прибора на нулевое деление шкалы устанавливают переменным резистором R9 («Уст. 0»). При подключении к входным гнездам резистора (или другой детали, обладающей сопротивлением) напряжение между гнездами изменится в зависимости от его сопротивления. Это новое напряжение и отметит отклонившаяся стрелка индикатора: по шкале индикатора и по положению переключателя поддиапазонов SA1 нетрудно определить неизвестное сопротивление.
Омметр рассчитан на измерение сопротивлений в пяти поддиапазонах: на первом (Х 0,1к) можно измерять сопротивления от 20 Ом до 50 кОм, на втором (Х 1к)— от 200 Ом до 500 кОм, на третьем (Х 10 к) — от 2 кОм до 5 МОм, на четвертом (Х 100 к) — от 20 кОм до 50 МОм, на пятом (X 1 М) — от 200 кОм до 500 МОм. Конечно, можно обойтись только тремя поддиапазонами (Х 0,1 к, Х 10 к, Х 1 М), но тогда точность отсчета несколько снизится.
В омметре можно использовать транзисторы КП103 с начальным током стока не менее 1 мА и крутизной характеристики не менее 1 мА/В. Индикатор РА1 — микроамперметр на ток 100 мкА и рамкой сопротивлением 850 Ом. Переменные резисторы — СП-1, постоянные — МЛТ-0,25. Сопротивления резисторов R2—R6, от которых зависит точность показаний омметра, должны быть подобраны достаточно точно.
Источником питания омметра может быть батарея 3336 или три последовательно соединенных элемента 343, 373. Детали омметра можно смонтировать в любом подходящем корпусе.
Обычно налаживание омметра сводится к градуировке шкалы при подключении ко входу омметра резисторов известных сопротивлений. В нашем случае этой операции можно избежать, отградуировав шкалу расчетным путем. Если, например, шкала индикатора имеет 100 делений, то положение стрелки индикатора можно определить по следующей формуле:
N = 100 — 100 • 10/(10 + R),
где N — деление шкалы индикатора; R — деление шкалы омметра.
Например, отметка сопротивления 1 Ом по шкале омметра должна соответствовать следующему делению шкалы индикатора: N = 100 — 100 • 10/(10 + 1) = 9; отметка сопротивления 5 Ом должна располагаться против деления шкалы N = 100 — 100 • 10/(10 + 5) = 33,3; отметка сопротивления 100 Ом — против деления N=100—100 • 10/ (10 + 100) = 91 и т. д.
По результатам расчета наносят деления на шкалу индикатора или вычерчивают новую шкалу (рис. O-2), по которой в дальнейшем определяют измеряемое сопротивление.
После этого к входу омметра подключают предварительно измеренные на образцовом приборе резисторы и проверяют точность показаний самодеятельного омметра на всех поддиапазонах. При обнаружении значительной погрешности в показаниях омметра подбирают точнее резистор (R2—R6) соответствующего поддиапазона.
Больший интерес может представить другой омметр — с линейной шкалой. Но прежде чем перейти к нему, следует напомнить о причине нелинейности шкалы и в предыдущем омметре и во многих других. Дело в том, что при измерении сопротивления ток через измерительную цепь непостоянен, он зависит от сопротивления: ведь измерительная цепь, как правило, является частью делителя напряжения или плечом измерительного моста, с которых снимается напряжение на индикатор. Но если резистор включать в цепь со стабильным значением тока, то падение напряжения на нем будет зависеть только от его сопротивления и шкала индикатора будет линейная.
Разобраться в принципе работы омметра с линейной шкалой поможет рис. О-3. На транзисторе VT собран стабилизатор тока. Поскольку напряжение на базу транзистора подается с кремниевого стабилитрона VD, ток в цепи эмиттера будет также стабилизирован и будет зависеть только от сопротивления резистора R3. Стабильным будет и ток коллектора, протекающий через измеряемый резистор Rx. Поэтому вольтметр PV будет измерять напряжение, зависящее только от сопротивления подключаемого резистора Rx. В этом случае зависимость напряжения от сопротивления также будет линейной.
Выбор резистора R определяется возможными изменениями тока базы транзистора при установке различного тока эмиттера. А задаваемый ток эмиттера, в свою очередь, определяется выбранным пределом измерения. При малых измеряемых сопротивлениях ток эмиттера выбирают большим, но не превышающим предельно допустимого значения тока для данного транзистора. Нижний предел тока эмиттера зависит от возможного минимального обратного тока коллекторного перехода данного транзистора. Поэтому, чтобы измерять резисторы с большим сопротивлением, нужно выбирать транзисторы с возможно малым значением тока Iкбо. Кроме того, для предупреждения шунтирующего влияния вольтметра PV его входное сопротивление должно быть значительно больше (не менее чем на порядок) предельного значения измеряемого сопротивления.
В омметре, схема которого изображена на рис. O-4, учтены все эти соображения. В качестве стабилизатора тока выбран транзистор структуры n-р-n с током I кбо, не более 1 мкА. Значение стабилизированного тока в цепи эмиттера (а значит, и в цепи коллектора) определяется цепочками резисторов R2R3, R4R5, R6R7, R8R9 и R10R11. При включении (переключателем SA1) первой цепочки в цепи эмиттера транзистора должен протекать ток около 10 мА, второй цепочки — 1 мА, третьей — 0,1 мА, четвертой — 0,01 мА, пятой — 0,005 мА.
Поскольку напряжение стабилизации стабилитрона КС133А составляет 3...3,7 В, такое же напряжение будет на эмиттерных резисторах, поэтому максимальное падение напряжения на измеряемом резисто ре не может превысить 5,3 В. С учетом возможного снижения напряжения батареи питания и разброса напряжения стабилизации стабилитрона примем максимальное падение напряжения равным 5 В. Тогда в первом положении переключателя SA1 можно измерять сопротивления до 500 Ом, во втором — до 5, в третьем — до 50, в четвертом — до 500 кОм, в пятом — до 1 МОм.
Для более точного измерения как больших, так и малых сопротивлений в выбранных поддиапазонах, вольтметр, собранный на полевом транзисторе VT2, имеет несколько поддиапазонов измерений. Так, в верхнем по схеме положении переключателя SA2 шкала вольтметра рассчитана на 0,5 В, в следующих положениях соответственно на 1,2 и 5 В. Поэтому в первых положениях обоих переключателей омметром можно измерять сопротивления до 50 Ом. При этом по шкале индикатора РА1 можно достаточно точно отсчитывать измеряемое сопротивление меньше 1 Ом. Таким образом, переключатель SA1 является переключателем пределов измерения, a SA2 — своеобразным множителем.
Резистор неизвестного сопротивления подключают к зажимам ХТ1 и ХТ2 («Rx») и только после этого нажимают кнопку SB1, нормально замкнутые контакты которой шунтируют входные зажимы. Если б этой кнопки не было, то до подключения проверяемого резистора на этом участке было бы падение напряжения и стрелка индикатора отклонилась за конечное деление шкалы.
Вместо транзистора МП111А можно применить транзистор структуры n-р-n, например КТ315 (с любым буквенным индексом), имеющий обратный ток коллектора не более 2 мкА и статический коэффициент передачи тока не менее 20. Транзистор КП103Л можно заменить на КП103И, КП103К с начальным током стока не менее 1,5 мА и крутизной характеристик не менее 1 мА/В.
Индикатор РА1 — микроамперметр на ток полного отклонения стрелки 100 мкА, сопротивление рамки 850 Ом. Подстроечные резисторы, кнопка SB1 и выключатель SA3 любой конструкции, переменный резистор R19—СП-1, постоянные резисторы — МЛТ-0,25, переключатели SA1 и SA2 галетные, на пять положений (например, 5П2Н).
Стабилитрон КС133А можно заменить на 2С133А, КС433А, 2С433А. Источник питания — последовательно соединенные две батареи 3336 или, что желательно, шесть элементов 343 или 373.
Потребляемый омметром ток при измерении малых сопротивлений — около 25 мА, при измерении сопротивлений больше 500 Ом — около 15 мА.
Конструкция омметра определяется во многом габаритами имеющихся деталей. На верхней стенке корпуса располагают переключатели, выключатель питания, кнопку, переменный резистор, зажимы для подключения резисторов и индикатор. Подстроечные резисторы лучше всего смонтировать на плате из гетинакса или текстолита и расположить плату внутри корпуса так, чтобы был свободный доступ к осям резисторов. Батареи можно укрепить внутри корпуса или на съемной нижней стенке.
Налаживание прибора начинают с калибровки вольтметра. Вначале движок резистора R17 устанавливают в среднее положение и, включив питание, резистором R19 устанавливают стрелку индикатора на нулевое деление шкалы. Отпаивают от резистора R12 провод, идущий к зажиму ХТ1, на делитель R12—R15
подают напряжение 0,5 В и отмечают отклонение стрелки индикатора. Если стрелка отклоняется за конечную отметку шкалы, то, отключив вспомогательный источник постоянного напряжения, перемещают движок резистора R17 немного вниз (по схеме) и повторно устанавливают резистором R19 стрелку индикатора в нулевое положение. Если, наоборот, стрелка индикатора не доходит до конечного деления шкалы, движок резистора R17 перемещают вверх. В любом случае движок резистора R17 должен быть в таком положении, чтобы при подключении к делителю вспомогательного источника напряжения стрелка индикатора устанавливалась на конечном делении шкалы.
Показания вольтметра при других положениях переключателя желательно проверить, подавая на вход вольтметра соответствующие напряжения (в положении «Х1» 1 В, в положении «Х2» 2 В, в положении «Х5» 5 В). В каждом случае стрелка индикатора должна отклоняться до конечного деления шкалы. Если это условие не соблюдается, придется точнее подобрать резисторы делителя, соответствующие этим пределам измерения.
После этого можно восстановить соединение делителя с зажимом ХТ1 и, подключая к зажимам образцовые резисторы, разметить шкалу омметра. Для каждого поддиапазона достаточно иметь по одному резистору, сопротивление которого точно соответствует измеряемому сопротивлению, указанному на схеме для данного поддиапазона: 100 Ом, 1, 10, 100 и 200 кОм.
Калибровку начинают с первого поддиапазона. Переключатель SA1 устанавливают в положение «0,1 к» (переключатель SA2 все время должен быть в положении «Х 1») и подключают к зажимам «Rx» резистор сопротивлением 100 Ом. Нажимают кнопку SB1 и подстроечным резистором R3 добиваются отклонения стрелки индикатора до конечного деления шкалы.
Затем переключатель SA1 переводят в положение «1 к», подключают к зажимам резистор сопротивлением 1 кОм и, вновь нажав кнопку, резистором R5 стрелку индикатора устанавливают на конечное деление шкалы. Аналогично калибруют омметр и при других положениях переключателя поддиапазонов.
Если только подстроечным резистором не удается установить стрелку индикатора на конечную отметку шкалы, то подбирают соединенный с ним постоянный резистор (R2, R4, R6, R8 или R10).