Vypínač pro multimetr NTL P3210-1P
Analogový školní multimetr P3210-1P firmy NTL je spolehlivý pracant vhodný nejen pro studentská praktika. Uplatnění najde všude tam, kde je žádoucí, aby studenti samostatně pracovali s analogovým měřicím přístrojem a aspoň částečně si osvojili odečítání ze stupnice ručkového přístroje. Jde o poměrně přesný, robustní a jednoduše ovladatelný přístroj, který se podle dosavadních zkušeností osvědčil i svou určitou odolností.
Během letitého provozu se však ukázalo několik slabin. První z nich souvisí s novějším typem ovládacích knoflíků. Zatímco starší provedení (zelené – viz obrázek č. 1) bylo nalisováno na tisícihran osičky přepínače a fungovalo bez problémů, novější varianta (se žlutou čepičkou) je uchycena pomocí červíku. Ten se však utahuje právě na tisícihran, což se v praxi neosvědčilo – knoflík ovládacího přepínače tak občas zůstane studentům v ruce. Oprava je sice jednoduchá, ale situace je zbytečně nepříjemná. Tomuto problému se budeme věnovat v některém z příštích článků.
Dnes se zaměříme na jiný nedostatek přístroje P3210-1P.
Druhou a v tomto případě hlavní slabinou multimetr P3210-1P je absence vypínače. Na první pohled se to může zdát jako banalita, možná dokonce překvapivé téma. Vždyť při přepnutí na měření napětí nebo proudu, pokud není nic připojeno, ručička klidně klesne na nulu a přístroj se tváří jako nečinný.
Jenže opak je pravdou!
Trvalé napájení a problém symetrie
Ačkoli přístroj působí jako klasický analogový systém s otočnou cívkou, jeho činnost je závislá na napájení i během „nečinnosti“. Schéma zapojení sice nemáme k dispozici, ale z konstrukce desky plošných spojů lze usuzovat na použití operačního zesilovače, který řídí proud pro vychylovací cívku ručičky. Jinými slovy – přístroj měří neustále, i když se zdánlivě nic neděje. Spotřeba je sice malá, ale existuje.
Samotná trvalá spotřeba by ještě nebyla zásadním problémem. Ten spočívá v napájení přístroje: čtyři tužkové baterie (AA) tvoří ve dvou dvojicích symetrické napájení operačního zesilovače. Toto řešení se u analogových multimetrů používá z několika důvodů. Umožňuje zpracování střídavých signálů kolem nulové referenční hodnoty bez ořezání. Použití operačního zesilovače se symetrickým napájením přispívá k vysokému vstupnímu odporu a zároveň zlepšuje stabilitu nulové polohy ručičky. Symetrické napájení také umožňuje snadnou indikaci záporné polarity.
U modelu P3210-1P navíc jedna z napájecích větví kromě elektroniky zásobuje i vychylovací cívku, a proto je zatěžována více. Dochází tak k rychlejšímu vybíjení jedné dvojice baterií, pravděpodobně i vlivem proudu potřebného k udržení přesné nulové polohy ručičky.
Jakmile se jedna větev začne vybíjet, vzniká nesymetrie napájení. Zpočátku se projeví jen drobným zkreslením měření, které lze snadno přisoudit chybě obsluhy. Postupně se však situace zhoršuje – ručička se začne samovolně vychylovat i bez připojeného vstupu. Typickým znakem je přístroj uložený v krabici, jehož ručička ukazuje nenulovou hodnotu, jako by právě měřil.
V případě, že je více přístrojů a stále používáme „jen ty vrchní“, může dojít u „těch spodních“ i k tomu, že „zdravé“ baterie začnou dobíjet ty vybité a to dokonce tak, že skončí na opačné polaritě. Přesný mechanismus bez znalosti schématu neznáme, výsledek je však zřejmý – vyteklé baterie a tím i poškozený bateriový košíček. U alkalických článků navíc hrozí rozleptání okolních částí uvolněným hydroxidem. Náprava sice existuje – výměna baterií a jejich košíčku přístroj vrátí zpět do provozu – ale nabízí se jednoduchá otázka.
Je to opravdu nutné?
Návrh řešení
Námi navrhované řešení je přitom velmi jednoduché – doplnit do přístroje vypínač. Malý zásah, který však výrazně přispěje k životnosti přístroje i klidu jeho uživatelů.
Protože je přístroj napájen dvojicí bateriových větví tvořících symetrické napájení, je nutné při úpravě odpojit obě tyto větve současně. Z toho vyplývá, že nelze použít obyčejný jednopólový vypínač, ale je zapotřebí vypínač dvojitý.
Současně je vhodné zjistit, která dvojice AA článků tvoří kladnou a která zápornou napájecí větev operačního zesilovače, abychom mohli přerušit správná místa v obvodu. Teoreticky by bylo možné odpojovat i společný pól obou větví pomocí jednopólového vypínače, avšak zde narážíme na praktický problém konstrukce přístroje. Vývody baterií totiž mizí pod deskou plošných spojů na různých místech a bez detailní znalosti zapojení není zřejmé, jak je společný bod ve skutečnosti realizován. A kdo ví, co by se v obvodu dělo, kdybychom odpojili jen společnou referenční „nulu“. Tady opravdu bez schématu celého zapojení je lepší vsadit na jistotu.
Nemalou komplikací celé úpravu je samotná mechanická konstrukce přístroje. Deska plošných spojů je pevně vsazena do přístroje a připájena k části se stupnicí a měřicím mechanismem. Jakýkoli důkladnější průzkum zapojení nebo jeho úprava by tedy znamenal poměrně rozsáhlé rozebrání celého přístroje, což je časově náročné a zároveň hrozí riziko poškození citlivých částí.
Použití dvojitého vypínače, který spolehlivě odpojí obě napájecí větve, se proto ukazuje jako nejjednodušší, nejrychlejší a zároveň nejbezpečnější řešení.
Realizace úpravy
Nejvhodnější postup úpravy je tedy následující. Nejprve z přístroje kompletně odpojíme napájení – vyjmeme baterie a odpojíme oba košíčky dvojic AA článků.
Následně si vezmeme jiný multimetr, ideálně s funkcí měření odporu nebo akustickou zkoušečkou vodivosti („prozváněčkou“). Pomocí něj zjistíme, které vodiče z jednotlivých dvojic baterií jsou spolu přímo spojeny. V praxi půjde vždy o kombinaci kladného pólu jedné dvojice a záporného pólu druhé – tedy o střed (referenční „nulu“) symetrického napájení. Jakmile tento společný bod identifikujeme, zaměříme se na zbývající vodiče. Právě ty je potřeba přerušit, protože představují obě napájecí větve vůči této „nule“. Jejich přestřižením zajistíme, že bude možné vypínat jak kladnou, tak zápornou větev současně.
Takto přerušené vodiče následně připojíme na dvojitý vypínač. Každá větev bude spínána samostatnou sekcí vypínače, což zajistí správnou funkci celého řešení. Je pravděpodobné, že původní vodiče od baterií nebudou pro nové zapojení dostatečně dlouhé. V takovém případě je bude nutné vhodně nastavit – ideálně pájením a s použitím smršťovací bužírky nebo jiného spolehlivého způsobu izolace, aby byla zachována mechanická pevnost i elektrická bezpečnost spoje.
Volba typu a umístění vypínače
Před samotnou realizací je samozřejmě nutné celou úpravu promyslet – zejména volbu vhodného vypínače a jeho umístění na přístroji.
V našem případě se osvědčil dvojitý kolébkový vypínač (viz obr. 2 nebo 5). Ten má sice obdélníkový tvar, ale je konstruován pro montáž do kruhového otvoru. Právě to byl jeden z hlavních důvodů jeho volby. Úpravu jsme totiž prováděli přibližně na dvaceti přístrojích, takže bylo potřeba zvolit řešení, které bude rychlé a efektivní. Vyvrtání kruhového otvoru je otázkou okamžiku, zatímco přesné vyřezání obdélníku by bylo zbytečně pracné a časově náročné. Při větším počtu kusů je zkrátka potřeba šetřit nejen materiál, čas, ale i vlastní energii. Zvolený vypínač navíc působí poměrně esteticky a díky nízkému profilu zbytečně nevystupuje nad povrch přístroje, což je příjemné jak z hlediska manipulace, tak i celkového vzhledu.
Samotné umístění vypínače však opět komplikuje konstrukce přístroje. Ideální by bylo umístit jej na přední panel, to by však znamenalo kompletní rozebrání a částečné odpájení vnitřních částí. Navíc není jisté, zda by se pod deskou plošných spojů vůbec našel dostatečný prostor. Ve výsledku jsme tedy vybírali mezi dvěma variantami – umístěním na horní nebo boční stěně přístroje. Montáž do boční stěny by si vyžádala přesunutí jednoho z bateriových košíčků, pravděpodobně směrem nahoru. Tím by ale baterie ztratila pevné uložení a v přístroji by se částečně volně pohybovala. Zvažovali jsme i řešení pomocí fixační vložky vytištěné na 3D tiskárně, nakonec jsme však tuto cestu opustili.
Z praktických důvodů jsme se tedy přiklonili k umístění vypínače na horní stranu přístroje (viz obr. 4). Při úpravě většího množství kusů je zkrátka nutné volit co nejjednodušší a nejrychlejší variantu – i za cenu drobných kompromisů.
Koneckonců, kdyby tohle byl ten největší kompromis při vzdělávání budoucích technických elit, mohli bychom si gratulovat.
Přínos úpravy
Navržená úprava nepředstavuje nic složitého. Naopak – jde o poměrně jednoduchý zásah, který bez větších obtíží zvládne každý alespoň trochu zručný člověk. A u národa, kde je téměř každá technická výzva řešitelná návštěvou nejbližšího hobbymarketu, by to přece neměl být žádný zásadní problém!
Přínos této úpravy je přitom zcela konkrétní. Důsledným vypínáním přístroje výrazně prodloužíme životnost baterií a zároveň zabráníme jejich dlouhodobému samovolnému vybíjení v době, kdy přístroj leží nečinně uložený. Tím se významně snižuje i riziko jejich vytečení a následného poškození vnitřních částí přístroje. Vedle čistě technického přínosu má tato úprava i nenápadný, ale důležitý didaktický rozměr. Žáky vede k základnímu pracovnímu návyku – že po skončení měření je potřeba přístroj nejen odložit, ale také vypnout. I taková drobnost může v dlouhodobém horizontu formovat zodpovědný přístup k technice.
Kdyby toto nebyl článek pro kutily, ale vzletný didaktický pamflet, skoro by se nabízelo říci něco ve stylu, že: „Celkově jde o malý zásah s překvapivě velkým efektem, a to jak z hlediska provozu přístroje, tak i jeho využití ve výuce.“
Závěr
Ukázali jsme si, že i relativně levnou úpravou lze ze žákovského měřicího přístroje udělat výrazně použitelnější nástroj. V některém z příštích článků se ještě vrátíme k další slabině tohoto NTL multimetru – problematickému uchycení ovládacího knoflíku – a pokusíme se ji odstranit stejně jednoduše a trvale. A pak už snad bude dosaženo stavu, který by se dal s jistou nadsázkou označit jako didaktické blaho, alespoň pokud jde o práci s přístrojem P3210-1P.
Nad celou věcí se zároveň vznáší drobná otázka, nakolik bude podobné „domácí vylepšování“ školních pomůcek i nadále samozřejmou součástí učitelské praxe, a zda se najde dostatek mladších kolegů, kteří tento tichý servisní program bez většího povyku převezmou. Člověk by si skoro s lehkou obavou vzpomněl na ono bezručovské „Kdo na moje místo?“.
Povzdech starého, unaveného muže, který s určitou obavou zjišťuje, že až jednou zavře dveře své „dílny plné drobných oprav a improvizací“, nemusí po něm zůstat nikdo, kdo by v této nenápadné, ale nekonečné práci pokračoval…