Digitalni panel-metri Iskra ØDP01xx

Danas su nabavljeni digitalni ugradbeni (panel) mjerni instrumenti (voltmetri i ampermetri) serije ØDP01xx slovenskog proizvođača Iskra iz 1980-tih godina kako slijedi:

• Ampermetar za istosmjernu struju 0-2000 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102)
• Ampermetar za istosmjernu struju 0-200 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102)
• Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾znamenke (ØDP0104)
• Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾znamenke (ØDP0104)
• Voltmetar za izmjenični napon 0-400 V, 3 ¾znamenke (ØDP0104)
• Voltmetar za istosmjerni napon 0-100 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106)
• Voltmetar za istosmjerni napon 0-1000 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106)

Svi ovi instrumenti mogu biti konfigurirani ili kao voltmetri ili kao ampermetri za razne mjerne opsege, ovisno o ugrađenom predotporniku ili shuntu. Napajaju se naponom gradske mreže 220 V. Dimenzije su 95x45x140 mm.

Posebni sistem kopči koje se montiraju na bočne strane kućišta služi za pričvršćivanje instrumenata na noseće limene ploče.

Nakon što smo pogledali unutrašnjost svakog instrumenta vidimo da ih prema elektroničkoj strukturi možemo podijeliti u tri skupine:

• Instrumenti bazirani na integriranom krugu ADD3701CCN (max ±3999)
  • Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾ znamenke (ØDP0104)
  • Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾ znamenke (ØDP0104)
  • Voltmetar za izmjenični napon 0-400 V, 3 ¾znamenke (ØDP0104)
• Instrumenti bazirani na ADC setu integriranih krugova LD110/LD111 (max ±1999)
  • Ampermetar za istosmjernu struju 0-2000 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102)
  • Ampermetar za istosmjernu struju 0-200 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102)
• Instrumenti bazirani na ADC setu integriranih krugova LD120/LD121 (max ±19999)
  • Voltmetar za istosmjerni napon 0-100 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106)
  • Voltmetar za istosmjerni napon 0-1000 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106)

Iz ove podjele jasno se vidi i logika označavanja serije pojedinih mjernih instrumenta gdje posljednja dva broja označavaju broj znamenki koje digitalni instrument može prikazati, a samim time i upotrijebljene integrirane krugove. Kod instrumenata za istosmjerne struje i napone mjerni signal se dovodi na ulaz ADC integriranog kruga preko odgovarajućeg predotpornika ili shunta (±2 Vmax), a kod izmjeničnih ampermetara i voltmetara mjerni signal se preko odgovarajućeg predotpornika ili shunta prvo dovodi na mjerni ispravljač napona baziran na operacijskom pojačalu, a zatim se ispravljeni istosmjerni napon dovodi na ulaz komparatora unutar integriranog kruga ADD3701CCN.

Iako izgledaju vrlo slično svaki od prikazanih sedam primjeraka digitalnih ugradbenih mjernih instrumenta serije ØDP01xx ima svojih specifičnosti glede karakteristika i električne sheme.

Iako su svi LCD displeji konfigurirani za prikaz 4 ½ znamenke, ovaj kapacitet je iskorišten samo kod serije ØDP0106. Kod serije ØDP0102 koriste se samo 3 ½ znamenke, a kod serije ØDP0104 koriste se 3 ¾ znamenke.

Kod instrumenata serije ØDP0102 i ØDP0104 mrežno napajanje i ulazni napon/struja dovodi se preko stezaljki sa vijkom, dok se kod instrumenta serije ØDP0106 spajanje vrši preko posebnog konektora.

Izmjenični mjerni nstrumenti bazirani na integriranom krugu ADD3701CCN

Instrumenti za izmjenične struje i napone temelje se na integriranom krugu ADD3701CCN (MM74C936N-1) specijalno dizajniranom za digitalne multimetre i panel metre. Ovaj integrirani krug implementira sve sklopove digitalnog mjernog instrumenta za prikaz vrijednosti na LCD displeju u rasponu 0 do ±3999. Od vanjskih elemenata potrebno mu je samo napajanje od 5 V, izvor referentnog napona (u našem slučaju ICL8069) i RC elementi za interni oscilator takta. A/D pretvornik ugrađen u ADD3701CCN radi na principu pulsne modulacije i brzina mu ovisi o frekvenciji oscilatora definiranoj pomoću vanjskih RC elemenata. U našem slučaju ugrađen je otpornik od 7,5 kΩ i kondenzator od 270 pF što daje frekvenciju oscilatora od 300 Hz, odnosno brzinu pretvorbe od 2,3 mjerenja u sekundi.

Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾znamenke (ØDP0104). Na pločici lijevo smješten je mrežni transformator, ispravljač i stabilizator napona napajanja te mjerno ispravljačko operacijsko pojačalo. Na pločici desno je ulazni mjerni krug sa shuntom i anti-paralelno spojenim diodama za prenaponsku zaštitu. Tu je također i integrirani krug ADD3701CCN sa dva stabilizatora referentnog napona ICL8069 (zener diode).

Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾znamenke (ØDP0104). Mrežni transformator, ispravljač i stabilizator napona napajanja te mjerno ispravljačko operacijsko pojačalo.

Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾znamenke (ØDP0104). Ulazni mjerni krug sa shuntom i anti-paralelno spojenim diodama za prenaponsku zaštitu te integrirani krug ADD3701CCN sa dva stabilizatora referentnog napona ICL8069 (zener diode).

Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾znamenke (ØDP0104) – druga inačica. Na pločici lijevo smješten je mrežni transformator, ispravljač i stabilizator napona napajanja te mjerno ispravljačko operacijsko pojačalo. Na pločici desno je ulazni mjerni krug sa shuntom i anti-paralelno spojenim diodama za prenaponsku zaštitu. Tu je također i integrirani krug ADD3701CCN sa dva stabilizatora referentnog napona ICL8069 (zener diode).

Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾znamenke (ØDP0104). Ulazni mjerni krug sa shuntom i anti-paralelno spojenim diodama za prenaponsku zaštitu te integrirani krug ADD3701CCN sa dva stabilizatora referentnog napona ICL8069 (zener diode).

Ampermetar za izmjeničnu struju 0-3000 mA, 3 ¾znamenke (ØDP0104). Mrežni transformator, ispravljač i stabilizator napona napajanja te mjerno ispravljačko operacijsko pojačalo.

Voltmetar za izmjenični napon 0-400 V, 3 ¾znamenke (ØDP0104). Na pločici lijevo smješten je mrežni transformator, ispravljač i stabilizator napona napajanja te mjerno ispravljačko operacijsko pojačalo. Na pločici desno je ulazni mjerni krug sa kompenzacijskim atenuatorom. Anti-paralelno spojene 2×2 diode za prenaponsku zaštitu ovdje nisu u funkciji. Tu je također i integrirani krug ADD3701CCN sa dva stabilizatora referentnog napona ICL8069 (zener diode).

Voltmetar za izmjenični napon 0-400 V, 3 ¾znamenke (ØDP0104). Ulazni mjerni krug sa kompenzacijskim atenuatorom (serijski spojen predotpornik). Anti-paralelno spojene 2×2 diode za prenaponsku zaštitu ovdje nisu u funkciji. Tu je također i integrirani krug ADD3701CCN sa dva stabilizatora referentnog napona ICL8069 (zener diode).

Voltmetar za izmjenični napon 0-400 V, 3 ¾znamenke (ØDP0104). Mrežni transformator, ispravljač i stabilizator napona napajanja te mjerno ispravljačko operacijsko pojačalo.

Kad se mjerni instrument baziran na integriranom kruguADD3701CCN napaja preko mrežnog transformatora (kao u našem slučaju) potrebno je osigurati dobro filtriranje i potiskivanje utjecaja mrežne frekvencije 50 Hz. Ovo se osim oklapanja i uzemljenja mrežnog transformatora te dobrogstabiliziranja i filtriranja napona napajanja dodatno postiže ili namještanjem frekvencije oscilatora na točno 400 Hz, ili kao u našem slučaju upotrebom manje osjetljivogulazana ADD3701CCN (pin 11 – V filter) na koji se može dovestisamo pozitivni naponumjesto pinova 12 i 13 (Vin+ i Vin-) gdje se automatski prepoznaje polaritet napona. Stoga se ulazni izmjenični napon, uzet sa adekvatnog  predotpornika u slučaju voltmetra ili sa shunta u slučaju ampermetra, mora pretvoriti u proporcionalni pozitivni istosmjerni napon raspona 0-1 V.To se u našem slučaju postiže operacijskim pojačalom u spoju preciznog inverterskog ispravljača. Takvo pojačalo daje poluvlani oblik izlaznog napona pa su dodani višestrukiRC filtri kako bi se maksimalno smanjile bilo kakve fluktuacije (ripple) izlaznog istosmjernog napona na koje jeADD3701CCN vrlo osjetljiv.

Integrirani krug CA3140 je u spoju neinvertirajućeg pojačala sa povratnom spregom preko diode BA213 i otpornika 1,2 kΩ. U trenutku kad je na ulazu pozitivna poluperioda napona na izlazu iz pojačala pojavi se također pozitivna poluperioda. Dovoljan je ulazni napon od svega nekoliko µV da se na izlazu pojačala pojavi napon iznad 0,6 V koliki je prag vođenja diode BA213 i da ista bude polarizirana u propusnom smjeru. Negativna povratna veza sa diode BA213 podešena je tako da izlazni napon iz pojačala proporcionalno prati sve ulazne pozitivne napone, dakle za pozitivne poluperiode pojačalo djeluje kao slijedilo napona. Ovdje je treba uočiti činjenicu kako bi sama dioda bez pojačala propuštala samo pozitivne napone veće od 0,6 V što je neprihvatljivo jer ulazni napon za ADD3701CCN mora biti u rasponu 0-1 V sa što finijom rezolucijom napona u cijelom tom naponskom opsegu. U kombinaciji sa pojačalom pak dioda propušta već kod ulaznih napona reda nekoliko µV te takav sklop možemo smatrati (gotovo) idealnim ispravljačem. U trenutku kad na ulaz pojačala dolazi negativna poluperioda napona dioda je polarizirana u nepropusnom smjeru gdje je otpor iste reda stotinjak MΩ.Takav otpor u krugu povratne veze uzrokuje veliko negativno naponsko pojačanje te se na izlazu neće pojaviti nikakav napon.

Opisano ispravljačko pojačalo kakvo je ugrađeno u Iskrine mjerne instrumente spada u najjednostavnija takva pojačala koja imaju i neke nedostatke poput ograničenog frekvencijskog opsega i mogućnost pojave male negativne komponente napona na izlazu ukoliko dioda nema izrazito velik otpor u nepropusnom smjeru. No za pogonske mjerene instrumente predviđene za mrežnu frekvenciju 50 Hz vjerojatno nije isplativo dodavanje dodatnih elemenata (dioda i operacijskih pojačala) kako bi se dobio što savršeniji mjerni ispravljač za širok opseg frekvencija, već se eventualna pojava negativnog napona u našem slučaju se kompenzira trimer potenciometrom na DC OFFSET pinovima operacijskog pojačala, a ulazna impedancija se prilagođava RC elementima preko kojih se uvodi ulazni napon. Izlazni signal mora biti što je moguće više istosmjeran bez fluktuacija zaostalih od poluvalnog ispravljanja, a tu se kod Iskrinih instrumenata opet koristi najjednostavnije rješenje filtriranja pomoću RC elemenata. Uz to, čini se da je izravni ulaz na komparator integriranog kruga ADD3701CCN (pin 11 – V filter) puno manje osjetljiv na fluktuacije napona nego standardni ulazi (pin 12 Vin- i pin 13 Vin+) koji idu preko sklopova za prepoznavanje polariteta priključenog napona, a što u konačnici kod izmjeničnih mjerenja i nije važno. U objavi Variak Iskra TRN 110 i IEV TRN 120 (restauracija) pokušali smo jeftine kineske istosmjerne voltmetre i ampermetre bazirane na mikrokontroleruprenamijeniti u izmjenične, no pokazalo se da je istima također potreban izuzetno dobro i precizno stabiliziran ulazni mjerni  istosmjerni napon tako da segradnja takvog ispravljačkog pojačala na kraju pokazala nepraktičnom i neisplativom.

Istosmjerni mjerni nstrumenti bazirani na integriranim krugovima LD110/LD111 i LD120/LD121

Istosmjerni ampermetri bazirani na ADC-u LD110/LD111

Istosmjerni voltmetri bazirani na ADC-u LD120/LD121

Instrumenti za istosmjerne napone u osnovi se baziraju na A/D pretvaračima (ADC) koje čini kombinacija integriranih krugova LD110/LD111 (A/D pretvarač za 3 ½ znamenke ±1999 ugrađen u istosmjerne ampermetre za 200 mA i 2000 mA)odnosno kombinacija integriranih krugovaLD120/LD121 (A/D pretvarač za 4 ½ znamenke ±19999 ugrađen u istosmjerne voltmetre za 100 V i 1000 V). Ovi pretvarači daju BCD digitalni izlaz pa se u oba slučaja koristi i pretvarač sa BCD na 7-segmentni LED displej sa integriranim krugom CD4511 (MC14511BCP).

Ampermetar za istosmjernu struju 0-200 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102). Na pločici lijevo smješten je mrežni transformator, ispravljač i stabilizator referentnog napona i napona napajanja. Na pločici desno je ulazni mjerni krug sa shuntom te ADC sa integriranim parom LD110/LD111. Kao oscilator takta (oko 30 kHz) koristi se integrirani krug 555.

Ampermetar za istosmjernu struju 0-200 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102). Ulazni mjerni krug sa shuntom te ADC sa integriranim parom LD110/LD111. Kao oscilator takta (oko 30 kHz) koristi se integrirani krug LM555. Kao BCD dekoder (driver) za 7-segmentni LCD displej koristi se MC14511BCP.

Ampermetar za istosmjernu struju 0-200 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102). Mrežni transformator, ispravljač i stabilizator referentnog napona i napona napajanja.

Ampermetar za istosmjernu struju 0-2000 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102). Na pločici lijevo smješten je mrežni transformator, ispravljač i stabilizator referentnog napona i napona napajanja. Na pločici desno je ulazni mjerni krug sa shuntom te ADC sa integriranim parom LD110/LD111. Kao oscilator takta (oko 30 kHz) koristi se integrirani krug CA555.

Ampermetar za istosmjernu struju 0-2000 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102). Ulazni mjerni krug sa shuntom te ADC sa integriranim parom LD110/LD111. Kao oscilator takta (oko 30 kHz) koristi se integrirani krug CA555. Kao BCD dekoder (driver) za 7-segmentni LCD displej koristi se CD4511BCP.

Ampermetar za istosmjernu struju 0-2000 mA, 3 ½ znamenke (ØDP0102). Mrežni transformator, ispravljač i stabilizator referentnog napona i napona napajanja.

Voltmetar za istosmjerni napon 0-100 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106). Na pločici lijevo smješten je mrežni transformator, ispravljač i stabilizator referentnog napona i napona napajanja te PLL-om kontrolirani VCO koji služi kao generator takta frekvencije oko 130 kHz. Na pločici lijevo je i ulazni atenuatorski krug sa predotpornikom, a na pločici desno je ADC sa integriranim parom LD120/LD121 te BCD/7-segment LED dekoder.

Voltmetar za istosmjerni napon 0-100 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106)

Voltmetar za istosmjerni napon 0-100 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106)

Voltmetar za istosmjerni napon 0-100 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106)

Voltmetar za istosmjerni napon 0-1000 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106). Na pločici desno smješten je mrežni transformator, ispravljač i stabilizator referentnog napona i napona napajanja te PLL-om kontrolirani VCO koji služi kao generator takta frekvencije oko 130 kHz. Na pločici desno je i ulazni atenuatorski krug sa predotpornikom, a na pločici lijevo je ADC sa integriranim parom LD120/LD121 te BCD/7-segment LED dekoder.

Voltmetar za istosmjerni napon 0-1000 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106)

Voltmetar za istosmjerni napon 0-1000 V, 4 ½ znamenke (ØDP0106)

Opisanim A/D pretvaračima od vanjskih komponenti potreban je izvor referentnog napona i generator frekvencije takta (clock). Ulazni analogni naponi u A/D pretvarače trebaju biti u opsegu ±0-2 V jer je u tom području pretvarač linearan. Referentni napon za obje kombinacije iznosi 2 V. Kod ampermetara (LD110/LD111) se kao takt generator koristi svestrani 555 (CA555CE), a kod voltmetra (LD120/LD121) je to kombinacija PLL-a 4046 (MC14046BCP) i binarnog brojača 4040 (MC14040BCP) dakle radi se o naponski kontroliranom oscilatoru (VCO) pomoću PLL petlje. Ovisno o inačici i proizvođaču 555 u određenim uvjetima može oscilirati i do 1 MHz, pa čak i do 2 MHz, no za čist i stabilan signal to su svakako pretjerane vrijednosti i najbolje ga je koristiti do frekvencija 100 kHz. Stoga se kod A/D pretvaračaLD120/LD121 za frekvenciju višu od 100 kHz išlo na stabilniju kombinaciju sa VCO.

Frekvenciju takta kod A/D pretvarača treba birati na način da mrežna frekvencija (50 ili 60 Hz) ne dođe u interferenciju sa niti jednom frekvencijom koju proizvodi A/D pretvarač. Pretvarač LD110/LD111 može raditi sa taktom u rasponu 2-250 kHz (veći takt znači brže mjerenje ali manju preciznost), a najbolje frekvencije za izbjegavanje utjecaja frekvencije gradske mreže računaju se po formuli2048x50/n gdje je n neki cijeli broj od 1-51. Pretvarač  LD120/LD121 može raditi sa taktom u rasponu 50-250 kHza najbolje frekvencije za izbjegavanje utjecaja frekvencije gradske mreže računaju se po formuli 32768×50/n gdje je n neki cijeli broj od 8-40.

Iz svega proizlazi da bi optimalna frekvencija za LD110/LD111 bila oko 34,133kHz (n=3), a zaLD120/LD121 oko 163,840kHz (n=10). Kod Iskrinih ampermetara izmjerili smo frekvencije 30,12 kHz i 26,73 kHz, a kod voltmetara nešto više od 163 kHz. Ove frekvencije mogu se dodatno podesiti potenciometrom, no i ove vrijednosti daju dovoljan odmak od interferencije sa 50 Hz.

Sami A/D pretvarači rade na principu „dual slope“ integracije kakvu smo detaljno opisali u objavi Digitalni multimetar Systron Donner 7004A. Shema Iskrinih instrumenta sa A/D pretvaračima LD110/LD111 i LD120/LD121 ne razlikuje se od one prikazane u službenoj dokumentaciji proizvođača za te integrirane krugove pa ovdje prilažemo te sheme. Razlika je samo u upotrijebljenom BCD/7-segmentnom dekoderu (displej driveru) gdje se kod Iskre koristi CD4511BE.

A/D pretvarači LD110/LD111 i LD120/LD121 koristili su se kao baza za različite digitalne mjerne instrumente uglavnom u 1970-tim godinama, a integrirani krug ADD3701CCN pojavio se negdje početkom 1980-tih godina. Na našim Iskrinim instrumentima otisnuti su datumi proizvodnje iz razdoblja 1983-1989. godine no nalazimo Iskrine kataloge u kojima nudi ove digitalne mjerače i 20 godina kasnije.  Danas se ove serije instrumenata više ne proizvode, no kad ih već imamo i ukoliko poveće dimenzije nisu problem ne vidimo razloga zašto se ovi instrumenti ne bi iskoristili i u nekim današnjim elektroničkim ili električnim projektima. Dizajn prednje maske i danas djeluje moderno, LED displej je velik i jasno čitljiv u svim uvjetima osvjetljenja, jedino su dimenzije i težina malo izvan današnjih uobičajenih gabarita no to neće biti problem za ugradnju u kakav električni ormar ili u neko kućište za izradu kakvog namjenskog indikacijskog instrumenta 🙂