Danas je nabavljen ampermetar za mjerenje foto-struje (Iph metar) oznake Iph-Meter I 1000, proizvod njemačke tvrtke LMT iz 1988. godine.
Tvrtka LMT (Lichtmesstechnik GmbH Berlin) osnovana je 1974. godine te se bavi isključivo proizvodnjom i prodajom specijalnih profesionalnih mjernih i kalibracijskih instrumenta te računalnih softvera za fotometriju kao što su fotometri (svjetlomjeri), kolorimetri, spektroradiometri, goniofotometri, integrirajuće sfere i slično.
Mjerači foto-struje su električki gledano izuzetno točni i osjetljivi ampermetri kojima se mogu mjeriti struje reda pA sa najvećom pogreškom reda ±0,2 %. Koriste se za mjerenja fotoelektričnog efekta na metalima, odnosno za laboratorijska mjerenja jačine foto-struje koju generiraju razni foto-senzori, foto-diode, foto-ćelije, foto-multiplikatori i slični foto elementi.
Kontrole na prednjoj ploči su slijedeće: trimer potenciometar U-Zero za namještanje nule pokazivača (prividni kratki spoj ulaznih priključnica), trimer potenciometar I-Zero za poništavanje struje koju proizvode neki foto elementi bez prisutnosti svjetlosti, sklopa Range za automatski ili ručni odabir mjernog opsega, oslabljivač ulaznog signala Attenuator sa sklopkom i indikacijskom LED, te mrežna sklopka.
Iph-Meter I 1000 sa zadnje strane ima tri različite ulazne priključnice za spajanje raznih tipova foto elemenata (priključnice uz desni rub). Na višepolne priključnice moguće je spajanje termostatski stabiliziranih fotometrijskih glava te je na njih dovede i potreban napon. Osim tri ulazne priključnice za senzore naš primjerak instrumenta ima dvije izlazne priključnice sa izmjerenom vrijednosti u analognim i digitalnim obliku. Analogni signal sa mjernog pojačala je u rangu 0-2 V, a digitalni signal je u BCD formi kodiranja. Priključnica za digitalni izlaz je višefunkcionalna tako da se preko nje može i daljinski upravljati mjernim instrumentom što uključuje i promjenu mjernih opsega.
Iph-Meter I 1000 može mjeriti jačine struje u rasponu 10 pA do 15 mA (10-11 A do 1,5 x 10-2 A). Brzina ADC-a je 5 mjerenja u sekundi. Kad se koristi automatski odabir mjernog područja vrijeme prebacivanja na odgovarajući mjerni opseg je 200 ms. Najveća pogreška mjerenja je ±0,15 %. Vrijednosti se prikazuju na LCD displeju sa 4 ½ znamenke. Dimenzije kućišta su cca 480x140x330 mm, a težina je oko 4 kg.
Elektroničku shemu za naš Iph-Meter I 1000 naravno nemamo, no napravljen je modularno i možemo zaključiti da se sastoji se od slijedećih modula:
- mjerno pojačalo sa relejima za preklapanje i potenciometrima za kalibraciju mjernih opsega
- modul za ručni ili automatski odabir mjernog opsega, te za uključenje atenuatora
- ADC (analogno-digitalni pretvarač) sa driverima za LCD displej
- LCD displeji i indikacije (4 ½ znamenki za prikaz vrijednosti, prikaz množitelja, eksponeta i indikacija prekoračenja opsega kod ručnog odabira opsega)
- mrežni ispravljač, filtar i stabilizator napona
Mjerno pojačalo sa relejima za preklapanje i potenciometrima za kalibraciju mjernih opsega
Ampermetri za mjerenje vrlo malih struja najčešće se baziraju na principu pretvorbe ulazne struje u izlazni napon preko operacijskog pojačala, gdje su naponi i struje na ulazima operacijskog pojačala uvijek jednaki nuli, a sva ulazna struja se vodi na negativnu povratnu vezu pojačala. S obzirom da su naponi i struje na ulazima operacijskog pojačala jednaki nuli onda se ti ulazi mogu promatrati kao kratki spoj, odnosno kao prividni ili virtualni kratki spoj (koncept virtualnog uzemljenja). Na taj način ampermetar praktično ne utječe na mjerni krug (nema unutarnju potrošnju) jer je prolazni otpor nula oma. Ovakvim pojačalom bez problema se postiže izlazni napon od 1 V već kod ulazne struje od svega 1 µA pa su stoga vrlo pogodna za izradu osjetljivih ampermetara gdje se analogni izlazni napon može izravno dovesti na ADC. Drugi (izravni) način mjerenja struje pomoću ovakvog operacijskog pojačala je da se serijski u liniju povratne veze spoji ampermetar. Za osjetljive precizne ampermetre biraju se operacijska pojačala sa vrlo velikim linearnim pojačanjima, vrlo malim ulaznim bias strujama i vrlo malim izlaznim offset naponima, a u našem slučaju to su OP41FJ i OP77EJ.
Mjerno pojačalo ima na prednjoj ploči izvedena dva potenciometra za kalibraciju nule operacijskog pojačala. Naponska kalibracija U-Zero koristi se izjednačavanje napona na neinvertirajućem ulazu pojačala sa nulom, kako bi bio na istom potencijalu nule kao i uzemljeni invertirajući ulaz (vidi shemu). Strujna kalibracija pak se koristi samo kod foto-multiplikatora i sličnih foto elemenata kod kojih je moguća pojava neke struje i kad uopće nisu osvjetljeni, odnosno kad se nalaze u potpunom mraku (eng. dark-current). Te struje mogu nastati zbog toplinske emisije elektrona iz fotokatode, struje curenja između dinoda, kao i zalutalog visokoenergetskog zračenja, elektronskog šuma i slično. Stoga se ove struje mogu kalibracijom poništiti tako da se mjeri samo struja koju proizvodi sam fotoelektrični efekt.
Reed releji njemačke tvrtke Günther upravljani su digitalnim sklopovima i koriste se za prebacivanje mjernih opsega mjernog pojačala.
Na drugom dijelu pločice jasno se uočava digitalni dekoder MC74HC237 koji na osnovu ulaznog koda dobivenog sa modula za odabir mjernih opsega i atenuatora upravlja sa 7 releja za izbor mjernog područja koji (preko filtra) preklapaju potrebni otpor na povratnoj vezi mjernog pojačala. Također, za svaki mjerni opseg ugrađen je fini višeokretni trimer potenciometar za kalibraciju.
Modul za ručni ili automatski odabir mjernog opsega, te za uključenje atenuatora
Ovaj modul bazira se na mikrokontroleru koji vjerojatno preko ADC pretvarača analizira vrijednost ulaznog analognog signala iz mjernog pojačala, te na osnovu digitalnog koda koji dobiva preko sklopki za kodiranje Range i Attenuator izračunava i šalje digitalni signal za okidanje adekvatnog releja za odabir mjernog opsega. Vrlo vjerojatno da ovaj mikrokontroler istovremeno upravlja LED displejom za prikaz odgovarajućeg eksponenta (od -2 do -7) koji zapravo predstavlja mjerni opseg. Na taj način je izmjerena veličina prikazana izravno u amperima. Atenuator se može odabrati za svaku punu znamenku displeja, dakle u rangu .0000 do .9999.
ADC (analogno-digitalni pretvarač) sa driverima za LCD displej
Analogno digitalni mjerni pretvarač (ADC) bazira se na specijaliziranom integriranom krugu SI7135CJ (TC7135, ICL7135, MAX7135) koji u sebi implementira precizni dual-slope ADC sa BCD digitalnim izlazom za pogon LED displeja sa 4 ½ znamenke. Dual-slope ADC najčešće je korištena metoda analogno-digitalne pretvorbe kod mjernih instrumenta i istu smo objasnili u objavi Digitalni multimetar Systron Donner 7004A.
Integriranom krugu SI7135CJ potreban je oscilator takta (clock) koji može biti odabran u opsegu 100 kHz – 2 MHz. Kao što smo već opisali u objavi Digitalni panel-metri Iskra ØDP01xx frekvencija takta odabire se po principu što je veći takt to je brži ADC ali i manja preciznost, no istu također treba odabrati tako da frekvencije koje pri tome nastaju u procesu ADC konverzije što manje rezoniraju sa frekvencijom gradske mreže 50 Hz kako bi spriječile neželjene smetnje i šumovi. Za integrirani krug SI7135CJ najotpornije na smetnje su frekvencije koje daje takt izračunat po formuli 500/N, gdje je N broj mjerenja u sekundi. Naš ADC ima brzinu od 5 mjerenja u sekundi pa je najpovoljniji takt frekvencije 100 kHz koji se dobiva pomoću programabilnog kristalnog oscilatora PXO-1000. Time je ostavljena mogućnost programiranja takta i na druge frekvencije.
Kao oscilator frekvencije takta koristi se programabilni kristalni oscilator PXO-1000 (Statek). Ovaj integrirani krug sadrži kristalni oscilator frekvencije 1 MHz i dva programabilna djelitelja . Djelitelji se može programirati na 64 različitih dijeljenja čime se dobiva 57 različitih frekvencija u opsegu 0,0083 Hz do 1 MHz, među njima i 100 kHz. U PXO seriju programabilnih kristalnih oscilatora može biti ugrađeno 5 različitih kristala čime se dijeljenjem dobivaju i različite frekvencije. Tijekom proizvodnje prvo se izrađuju integrirani krugovi koji sadrže samo sklopovlje djelitelja, a zatim se dodaje jedan od pet raspoloživih kristalnih oscilatora. Time integrirani krug dobiva karakterističan oblik sa vidljivim kristalom u prozirnom kućištu.
Mrežni ispravljač, filtar i stabilizator napona
Na pločici se ističe dobro oklopljeni toroidni mrežni transformator te integrirani stabilizatori napona za 5 V i za simetrični napon ±15 V.
LCD displeji i indikacije
Set sklopki za kodiranje digitalne vrijednosti atenuatora.
LCD displej pokazuje izmjerenu vrijednost sa 4 ½ znamenki, sa prikazom množitelja i negativnog eksponenta. Tu je i indikacija prekoračenja mjernog opsega, indikacija priključenog opcionalnog sučelja IEEE-488 (digitalna sabirnica specijalno namijenjena povezivanju laboratorijskih mjernih instrumenta), te simbol mjerne jedinice “A”. Najmanja vrijednost struje koju može prikazati naš displej iznosi 0,0001 x 10-7 A ili 10 pA.
Mjerači foto-struje Iph-Meter I 1000 napravljeni su modularno, a naš primjerak se sastoji od osnovnih modula. Izmjenom ili dodatkom drugih modula mogu se proširiti funkcije ovog instrumenta:
- proširenje sa 6 mjernih opsega, na 7 ili 8 mjernih opsega čime se mogu mjeriti struje u rasponu od 0,1 pA do 15 mA
- povećanje brzine mjerenja sa 5 mjerenja u sekundi na 250 mjerenja u sekundi
- ubrzanje automatske promjene mjerenog opsega sa 200 ms na 100 ms
- ugradnja sučelja IEEE-488 (digitalna sabirnica specijalno namijenjena povezivanju laboratorijskih mjernih instrumenta)
No već i u osnovnoj inačici ampermetar Iph-Meter I 1000 je doista pravi laboratorijski mjerni instrument visoke točnosti i osjetljivosti kakav se rijetko nalazi u amaterskim radionicama za elektroniku. Istina da je prosječnom elektroničaru vrlo rijetko potreban ampermetar sa piko-amperskim mjernim opsegom, no danas kada se veliku većinu klasičnih elektroničkih sklopova više ne isplati izrađivati ručno, a mjerni instrumenti su postali dovoljno kvalitetni i dostupni, elektroničari amateri se mogu prebaciti na vlastita istraživanja, testiranja, provjere i pokuse o kakvima su nekad mogli samo maštati ili u najboljem slučaju biti upoznati samo u kakvom stručnom znanstvenom radu. 🙂