Levný ±10V voltmetr (s ochranou vstupu) pro Vernier

Když jsme začali řešit, jak vyrobit levnou alternativu bodového teplotního čidla (popsáno v článku: DIY bodové teplotní čidlo Vernier) narazili jsme na článek [1]. Tento článek nám nejen ukázal zapojení „vernierovského“ konektoru BTA dataloggeru LabQuest, ale především naznačil, jak si jednoduše vyrobit voltmetr s rozsahem ±10V. Vlastně jsme ani tenkrát netušili, jak nás tato zmínka nasměruje k bádání kolem vlastních alternativ čidel výukového systému Vernier.

Školní měřicí systém Vernier asi není třeba představovat čtenáři, který si otevřel tento článek. Jedním ze základních čidel tohoto systému je i voltmetr VP-BTA umožňující měřit elektrické napětí s rozsahem ±10V. Obrázek č. 1 ukazuje provedení originálního voltmetru VP-BTA, jež lze zakoupit za částku kolem 900 Kč. V podstatě se jedná o dvojici krokosvorek, které se „jen“ pomocí konektoru BTA zapojují přímo do záznamové jednotky systému (buď datalogger LabQuest, nebo USB převodník LabLink).

Jde však skutečně jen o přímé zapojení? A jak je tedy možné, že záznamová jednotka dokáže toto čidlo identifikovat, nastavit správnou měřenou veličinu a stanovit na grafu zvolený rozsah?

Obr. č. 1 – Originální jednoduchý voltmetr Vernier VP-BTA

Zmíněný článek [1] odhaluje, princip tohoto čidla a dokonce ukazuje jeho elektronické schéma (viz obr. 2). Tedy, zda se jedná o přesné (originální) elektrické schéma, nevíme. Co se skutečně skrývá v platovém přechodu mezi kabely krokosvorek a kabelem k BTA konektoru ví asi jen výrobce originálního čidla. Každopádně dále uvedené schéma alespoň odhaluje základní funkční část čidla.

Obr. č. 2 – Návrh zapojení (generického?) voltmetru ±10V k Vernier – dle [1]

Jak vidíme na obrázku č. 2 je voltmetr řešen jen pomocí jediného rezistoru, jinak jsou vodiče měřících krokosvorek opravdu připojeny napřímo do vstupu dataloggeru systému Vernier. Rezistor slouží pro automatickou identifikaci čidla. Je třeba jej zapojit mezi pin 4 a pin 2 konektoru BTA, pro čidlo voltmetru je zvolen odpor 33 kΩ.

Jak jsme na to přišli? Pin č. 4 odpovídá autoidentifikaci čidla, pin č. 2 je zemnění – jak nám ukazuje následující tabulka popisující významy všech pinů BTA konektoru použitého na analogových vstupech dataloggeru LabQuest.

Tab. č. 1 – Popis pinů BTA konektoru analogových čidel Vernier

Podle způsobu provedení autoidentifikace čidel, lze předpokládat, že na pin č. 4 (AutoIDENT) je vyvedena jedna část děliče napětí, který se však uzavře až po připojení identifikačního rezistoru čidla. Tím je napětí na pinu č. 4 úměrné velikosti identifikačního rezistoru. To stačí pro jednoznačné určení připojeného čidla. S tím jsme se již setkali při výrobě alternativy k teplotnímu čidlu (článek: [2]), kde je použit stejným způsobem identifikační rezistor jen s jinou hodnotou.

Jestliže nám článek [1] takto rovnou „naservíroval“ řešení, proč se tedy vůbec návrhem alternativního voltmetru nyní tady zabýváme? Copak nestačí toto schéma přijmout a použít?

To, co nás na výše předloženém schéma voltmetru trochu děsí, je právě problém přímého zapojení měřeného napětí rovnou do vstup dataloggeru. Představíme-li si, že cena LabQuestu je okolo 40 tisíc a typický průběh samostatného studentského měření… Napadne nás jistě otázka, zda výrobce LabQuestu vůbec počítal na vstupním pinu č. 1 s případným výrazně vyšším napětím, než je avizovaných ±10 V. Pokud ano, budiž mu to připsáno ke cti. Ale co když ne? Co asi pak budeme říkat, až dojde k poškození LabQuestu při měření s „nějakým“ DIY čidlem! 😕

Cílem našeho návrhu je tedy vytvořit podobně jednoduchý voltmetr jako je popsán v článku [1], ale doplněný alespoň o jednoduchý způsob „přepěťové“ ochrany. A to i za cenu, že v případě velkého problému dojde ke zničení levného čidla voltmetru, ale pokud možnost se neohrozí vstupní část drahého dataloggeru.

Obrázek č. 3 ukazuje návrh naší úpravy celého zapojení. Vlevo je část vedoucí do datalogeru (LabQuest) s piny autoidentifikace (pin č. 4), společného zemnění (pin č. 2) a napěťového vstupu ±10 V (pin č. 1). Pravá část zapojení naopak směřuje ke krokosvorkám, tedy k měřenému napětí.

Obr. č. 3 – Schéma zapojení včetně ochrany před překročením vstupního napětí

Pro automatickou identifikaci čidla je v zapojení ponechán rezistor R1 mezi piny 2 a 4. Ke změně zapojení došlo přidáním dvojice antisériově zapojených Zenerových diod a přidáním rezistoru do R2. Takové zapojení se běžně používá jako napěťová ochrana vstupů operačních zesilovačů.

Princip vychází přímo z principu činnosti Zenerovy diody. Dioda je zapojena v závěrném směru, dokud je napětí na diodě menší než Zenerovo napětí, je dioda „uzavřena“. Proud přes ní neprochází, připojené napětí je též i na diodě. Po překročení Zenerova napětí dochází k „otevření“ diody. Napětí, které je v tu chvíli na diodě odpovídá hodnotě Zenerova napětí. Z tohoto důvodu se Zenerova dioda využívá ke stabilizaci napětí. Aby dioda svým otevření nezpůsobila zkrat, a následně nedošlo k jejímu zničení, je k ní do série zapojen odpor, který omezuje procházející proud přes diodu. V tomto zapojení je to odpor rezistoru R2. Hodnota odporu je stanovena tak, aby zamezila zničení diody při překročení povoleného napětí při běžném „školním“ měření (výpočet viz dále). Zároveň, s ohledem na vnitřní odpor dataloggeru, je tato hodnota odporu zvolena tak, aby neovlivňovala měřené napětí. Antisériové zapojení Zenerových diod je zde zvoleno z důvodu symetrického rozsahu čidla voltmetru. Při jakékoliv polaritě je vždy jedna z diod zapojena v propustném směru, druhá ve směru závěrném. Dioda v propustném směru nemá význam, naopak dioda v závěrném směru v tu chvíli slouží jako zmíněný ochranný prvek udržující konstantní napětí.

Hodnota Zenerova napětí na diodách byla stanovena na hodnotu 11 V. Hodnota byla zvolena tak, aby k otevření soustavy diod došlo až při určitém drobném překročení napětí rozsahu voltmetru. Příliš brzké otevření diod (např. způsobené tolerancí Zenerova napětí na použité levné diodě) by mohlo ovlivňovat měřené hodnoty u krajního napětí 10 V. Při antiparelením zapojení diod odpovídá maximální napětí na vstupu dataloggeru asi 11,7 V (11 V na diodě v závěrném směru a 0,7 V na diodě v propustném směru). I když vstupní napětí na pinu 1 dataloggeru má stanovený rozsah ±10 V, takto vzniklé přepětí 1,7 V nepředstavuje problému. Rozhodně by byl větší problém napětí, které by bylo v tu chvíli přímo přivedeno na vstup, pokud by jej Zenerovy diody neomezili na zmíněných 11,7 V. Interval napětí v rozmezí 0–10 V není zapojením diod a rezistoru R2 nikterak ovlivněn.

Zvolené zapojení má ještě jednu výhodu, i když ta je trochu spekulativní. Jde o případ připojení opravdu velkého napětí (není myšleno vysoké napětí v řádu kilovoltů!). Pokud bychom na soustavu diod připojili napětí, které by přes rezistor R2 a otevřenou Zenerovu diodu vyvolalo tak velký proud, který by vedl ke zničení diod, mělo by teoreticky i toto zničení diod zabránit poškození vstupu dataloggeru. Při „propálení“ diod zpravidla dojde k tomu, že se diody stanou vodivé zcela, což by napětí na nich mělo snížit. Celé zapojení by v tomto extrémním případě (i za cenu svého zničení) mělo vstup dataloggeru stále chránit. Dokonce lze předpokládat, že pokud by byl nárůst na R2 takový, že by se rezistor R2 přepálil, došlo by odpojení datalogger od zničujícího napětí. Pochopitelně by bylo možné do série k R2 zapojit tavnou pojistku, která by bránila v případě velkého napětí zničení diod. V našem zapojení však počítáme s maximálním napětím, které by mohlo být třeba omylem přivedeno na vstup, cca 50 V. Takové napětí navržené zapojení zvládne i bez svého zničení. (Pochopitelně záleží na použitých Zenerových diodách!)

V případě připojeného napětí U_MAX = 50 V by na stabilizující Zenerově diodě měl být následující ztrátový výkon:

kde U_Z je Zenerovo napětí na diodě v závěrném směru, U_p napětí na diodě v propustném směru, U_MAX připojené napětí a R₂ velikost odporu rezistoru zapojeného do série k antisériově zapojeným diodám.

Po dosazení číselných hodnot dostáváme hodnotu ztrátového výkonu na diodě P_z:

Je tedy třeba zvolit diody pro ztrátový výkon alespoň 0,5 W. (Nebo zvýšit hodnotu rezistoru R2, ale tak, aby jeho hodnota stále neovlivnila načtenou hodnotu vstupem dataloggeru.)

S ohledem na jednoduchost celého zapojení jsme se snažili zvolit co nejmenší desku plošného spoje (DPS). Nakonec jsme zapojení navrhli na desku o rozměrech 1×2 cm, což umožnilo osadit desku součástkami klasické velikost a je zde i dostatek místa pro připájení kabelů. Návrh a osazení DPS ukazuje obrázek č. 4.

Obr. č. 4 – Návrh DPS (1×2 cm) a jeho osazení

Samotné provedení nejen osazené desku DPS, ale i připájených vodičů můžeme vidět na obrázku č. 5.

Obr. č. 5 – Identifikační rezistor a ochrana vstupu na DPS 1×2 cm

Deska plošného spoje je nakonec připojena co nejblíže ke konektoru BTA, oproti originálnímu voltmetru byly výrazně prodlouženy ohebnější vodiče pro připojení do obvodu. Také místo krokosvorek byly použity banánky. To nám více vyhovuje při použití ve školním prostředí.

Desku plošného spoje lze zabudovat do nějaké malé krabičky, kterou lze asi nejlépe vytisknout na 3D tiskárně (Ať je vidět, jak využíváme moderní technologie, tedy hrdě kráčíme směrem k Průmyslu 4.0) My jsme místo toho použili kousek platové trubičky s vnitřním průměrem přibližně 1 cm, do kterého jsme celé zapojení ještě před montáží banánků zasunuli. Deska DPS v trubičce drží třením, ale lze ji zafixovat kapkou lepidla. Závěrečná „kapotáž“ je provedena smršťovací bužírkou, která je přes trubičky natažena a tepelně smrštěna. Přesahy bužírky pak přilnou k vodičům a vytvoří čela vzniklé krabičky (a při vhodně zvolené délce vzniknou i jakési průchodky, které vodiče fixují). Celé výsledné provedení je vyfotografováno na obrázku č. 6.

Obr. č. 6 – Finální řešení, DPS vsazen do trubičky (vnitřní ⌀10 mm) a uzavřen smršťovací bužírkou

Celá stavba alternativního čidla voltmetru je poměrně jednoduchá, rychlá a levná (do 100 Kč). Největší problém je asi získání britského telefonního konektoru, případně jeho nakrimpování na kabel. Této problematice jsme se ale již věnovali v naše článku [2] věnovanému teplotnímu čidlu pro systém Vernier. Jen zmíníme, že asi nejrychlejší možností je zakoupení kabelu s tímto konektorem a potřebný kus kabelu s konektorem si odstřihnout.

Výše popsaným senzor voltmetru je plně kompatibilní nejen s čidlem uvedeným v [1], ale i s originálním voltmetrem VP-BTA. Nespornou výhodou je, že nyní víme, že máme ošetřený vstup dataloggeru proti přivedení nežádoucího vyššího napětí.

Stoprocentní kompatibilita našeho řešení s originálním čidlem voltmetru má však i základní slabinu, kterou má už samotný originální voltmetr VP-BTA. Jedná se o společné zemnění čidla a dataloggeru. Důsledkem toho musíme voltmetr použít v měřeném obvodu pouze jediný. Kdybychom v měřeném obvodu použili dvě tato čidla, stalo by se to, že potenciály z různých míst obvodu by byly přivedeny do vstupních pinů 2 (GND) dvou vstupů dataloggeru. Ale jelikož se jedná o společné zemnění, jsou tyto piny vzájemně propojeny. Tím by došlo ke zkratování dvou různých potenciálů, které mohou být v obvodu absolutně různé! Následující obrázek č. 7 tuto situaci demonstruje na případu měření napětí na rezistorech sériového zapojení.

Obr. č. 7 – Problém plynoucí z použití dvou voltmetrů VP-BTA v jediném obvodu.

Závěr

Ukázali jsme si, jak poměrně levně vytvořit pro systém Vernier plně kompatibilní čidlo voltmetru s rozsahem ±10 V, které má alespoň částečně ošetřený napěťový výstup pro ochranu připojeného dataloggeru. V tomto případě nám ani moc nešlo o pořízení levnější alternativy čidla (i když lze čidlo vyrobit asi devětkrát levněji), ale bereme to spíše jako určitý startovací projekt. V další článku bychom Vám rádi představili návrh voltmetru shodných parametrů, který by však již byl diferenciální – tedy již nebude trpět problémem použití více voltmetrů v jednom zapojení.

zdroje:

[1] PAZDERA, Václav. Jak si vyrobit senzor pro měřicí systém Vernier? Online. In: FyzWeb. 2012.
      Dostupné z: https://fyzweb.cz/clanky/index.php?id=197. [cit. 2024-08-15].

[2] DIY bodové teplotní čidlo Vernier. Online. In: Fyzikální kabinet FyzKAB.
      Dostupné z: http://kabinet.fyzika.net/dilna/Vernier-DIY/Vernier-DIY-teplotni-cidlo.php. [cit. 2024-08-15].