Amperomierz LM3914

Nie mam wbudowanego amperomierza w zasilaczu, a często też wykorzystuję akumulatorki. Lubię wiedzieć, czy przy pracach konstrukcyjnych nie spowodowałem przypadkiem jakiegoś zwarcia, a nie chcę ciągle blokować sobie multimetru. Trzeba zatem coś skonstruować! I tak powstał mały, prosty amperomierz. Wskazania nowego przyrządu nie muszą być precyzyjne - zakres do 1A z rozdzielczością 100mA wystarczy. Chciałem też, aby nowy amperomierz nie potrzebował zewnętrznego źródła zasilania - amperomierz jest zasilany z tego samego źródła co odbiornik i nie potrzebuje dodatkowych kabli. 

Trochę teorii

Układ scalony LM3914 to równoległy przetwornik analogowo cyfrowy. Składa się z dziesięciu komparatorów, których wejścia odwracające połączone są do napięcia mierzonego, a wejścia nieodwracające są podłączone do drabinki rezystorowej, która wyznacza komparatorom progi przełączeń. Do obu końców drabinki można podłączyć napięcie wg własnych potrzeb w szerokim dopuszczalnym zakresie. Oprócz tego, LM3914 jest wyposażony w źródło napięcia odniesienia oraz ciekawie rozwiązany sterownik diod LED. 

W gruncie rzeczy LM3914 jest woltomierzem. Jak więc woltomierzem zmierzyć natężenie? Sprawa jest bardzo prosta. Potrzebujemy tylko jeden rezystor! Prawo Ohma twierdzi, że U=IR. Niech rezystancja dla przykładu będzie równa 1 om. Wtedy U=I czyli ile amperów przepływa przez ten rezystor, tyle woltów będzie na nim występować. Problem w tym, że gdy mamy napięcie zasilania 5V i płynie prąd 1A, wówczas na rezystorze będziemy mieli spadek napięcia aż 1V, w związku z tym odbiornik będzie zasilany napięciem tylko 4V. Niestety przyrząd pomiarowy wprowadza spore zakłócenie do mierzonego obwodu. 

Rozwiązaniem jest zastosowanie rezystora 0,1R. Wtedy U=0,1I. W takiej sytuacji z 5V rezystor amperomierza "zje" nam tylko 0,1V, a dla odbiornika pozostanie 4,9V. Można pójść jeszcze dalej i dać rezystor 0,01R. Wtedy przy przy przepływie 1A napięcie będzie wynosić zaledwie 0,01V, a do odbiornika trafi 4,99V. Ale popadając w manię minimalizacji rezystora pomiarowego, możemy przysporzyć sobie kłopotów - może okazać się, że przetwornik nie będzie w stanie rozpoznać tak małego napięcia i konieczne będzie zastosowanie wzmacniacza. Może się też okazać, że rezystancja ścieżek i kabli będzie większa od rezystora pomiarowego! Bardzo też możliwe, że stabilność temperaturowa będzie kiepska. Dlatego zdecydowałem się zastosować rezystor metalizowany 0,1R o tolerancji 1%. Dopuszczalna moc rezystora widocznego na zdjęciach (ten niebieski)to 0,6W zatem maksymalny prąd jaki można przez niego "przepchnąć" to 2,45A - znacznie więcej niż zakres amperomierza. 

Każdy przetwornik analogowo-cyfrowy, obojętnie jakiego typu, potrzebuje trzech napięć:

• napięcie zasilania - wg dokumentacji można zasilać napięciem od 3V do 25V. Nie potrzeba dodatkowego zasilania. Amperomierz i zasilany układ biorą prąd z tego samego źródła.
• napięcie mierzone - powstaje na rezystorze pomiarowym, opisanym wyżej. Napięcie 100mV odpowiada 1A. Pozdrawiam wszystkich internetowych ekspertów, którzy twierdzili, że LM3914 nie może mierzyć tak małych napięć :)
• napięcie referencyjne - czyli wzorzec, do którego miernik porównuje napięcie mierzone. W LM3914 wbudowane jest źródło 1,25V a jego wyprowadzenia są na nóżkach REF OUT (plus) oraz REF ADJ (minus). REF ADJ należy "zakotwiczyć" np. w dzielniku z dwóch rezystorów, tak jak w dokumentacji, albo podłączyć prosto do masy. Wybrałem drugi wariant. Dzięki temu napięcie między REF OUT a masą wynosi 1,25V niezależnie od napięcia zasilania. Jako wzorzec potrzebujemy jednak 0,1V a nie 1,25V. Ponadto, nie wiadomo czy rezystor pomiarowy ma rzeczywiści 0,1R, bo przecież jego tolerancja wykonania to 1%. Napięcie wzorcowe wyregulujemy potencjometrem. W tym celu trzeba miernik podłączyć do zasilacza i zasilić coś prądem 1A. Wtedy ustawiamy potencjometr tak, aby świeciło się 10 diod. Można także ustawić, by 10 diod oznaczało 2A, da się.

Pin REF OUT pełni także funkcję regulacji jasności diod LED. Otóż prąd przepływający przez każdą zapaloną diodę jest dziesięć razy większy od prądu pobieranego z REF OUT. Projektanci LM3914 zastosowali jakieś lustro prądowe. Bardzo dobre rozwiązanie - tym sposobem uniezależniamy jasność diod od napięcia zasilania. Stwierdziłem, że diody czerwone najlepiej świecą, przy rozsądnej konsumpcji prądu, kiedy rezystancja potencjometru wynosi 4,7k. To jest ważne - prąd przepływający przez potencjometr reguluje jasność diod. W przypadku zastosowania potencjometru większego, np 10k, trzeba w miejsce R3 wlutować rezystor, aby dociążyć REF OUT (tak, żeby rezystancja zastępcza R3 i potencjometru była około 4,7k). 

Budowa

Płytkę zaprojektowałem tak, aby nie była większa od baterii 9V. Wszystko co się dało zrobiłem w SMD, ale LM3914 niestety udało mi się kupić tylko w wersji DIL. Musiałem zrobić trochę prowizorki i przylutować podstawkę powierzchniowo :) 

Na samej górze przylutowane są trzy zgięte szpilki - wtykam je w gniazdo zasilacza albo baterii. To taki mój standard, nazywam go Blond :) Środkowy pin to plus, a dwa zewnętrzne to masa. Dzięki takiej symetrii nie da się podłączyć tego odwrotnie. Teraz wiecie, skąd ta nazwa ;) Trochę niżej są dwa gniazda Blond, przeznaczone do zasilania mierzonych układów. Jak widać, mój amperomierz jest dosłownie mówiąc nakładką na zasilacz lub baterię! 

Dziesięć diodek LED pokazuje aktualne natężenie prądu. Każda dioda to 0,1A. 

Istnieje opcja, aby zamiast linijki diod, zapalała się tylko jedna z nich, ta ostatnia. Jest to opisanie w dokumentacji pod nazwą BAR MODE oraz DOT MODE. Jeżeli ktoś chce żeby świeciła się jedna dioda zamiast linijki diod wystarczy nie montować rezystora R4. 

Pliki do pobrania:

• Schemat i płytka w programie KiCad
• PDF gotowy do wydruku