Woltomierz z amperomierzem, wyświetlaczem VFD i pomiarem mocy

Kontynuując temat urządzeń z wyświetlaczami VFD, chcę opowiedzieć o całkiem interesującym produkcie — dość dokładnym woltomierzu z amperomierzem, który może się przydać krótkofalowcowi.


Na ten woltomierz z amperomierzem trafiłem początkowo na Taobao, gdzie kosztuje około 13.5 dolara. Cena jest całkiem rozsądna, ale dochodzi do niej koszt usług pośrednika. W tym przypadku cieszyło przynajmniej to, że wysyłka na terenie Chin była darmowa, choć rzadko się to zdarza.
Zacząłem jednak szukać tego produktu na AliExpress i znalazłem go za niewiele więcej, około 19-20 dolarów. Chciałem już kupić jedną sztukę na próbę, ale wtedy okazało się, że sprzedawca oferuje rabat hurtowy od dwóch sztuk. Wychodziło więc około 17 dolarów za sztukę, czyli 34 za dwie. Różnica w porównaniu z zakupem na Tao była niewielka, więc postanowiłem kupić na AliExpress.
Najciekawsze było to, że kilka dni później liczba sztuk dostępnych w tej ofercie na Tao zmniejszyła się właśnie o dwie :)

Niestety sprzedawca podniósł teraz cenę i dwie płytki kosztują już nie 34, a 50 dolarów. Być może dlatego, że to już inna wersja płytki, a może z jakiegoś innego powodu — nie wiem. W każdym razie zobaczmy, co to właściwie jest.


Wysyłka delikatnych towarów przez kilka firm pocztowych to zawsze stres zarówno dla kupującego, jak i dla samego towaru, więc i ja się martwiłem. Jak się okazało, niepotrzebnie — do opakowania nie mam zastrzeżeń.


Zawartość zestawu
1. Woltomierz z amperomierzem
2. Dwie listwy zaciskowe
3. Kilka przycisków
4. Kabel USB-miniUSB.


Kabel jest jasny — zwykły USB-miniUSB. Z resztą jest trochę trudniej: na każdą płytkę przypadają po dwie listwy zaciskowe. Jedna jest ewidentnie do podłączenia amperomierza, ale do czego służy druga, pozostaje zagadką, bo pasuje tylko w miejscu złącza zasilania.
Dołączono 9 przycisków na dwie płytki, choć na każdej wystarczą zaledwie 3, więc 3 zostają w zapasie.


Płytka ma całkiem spore wymiary, częściowo ze względu na rozmiar wyświetlacza. Wymiary płytki: 100х60х17mm.

Parametry:
Mierzone napięcie — 30 V
Mierzony prąd — 5 A
Napięcie zasilania — 5 V
Pobór prądu — do 300mA



Wymiary podane na stronie produktu:


Tutaj podano nawet wymiary otworów montażowych i przycisków — bardzo przydatny rysunek.


Zbliżenie na płytkę. Jak widać, wyświetlacz zajmuje całkiem dużą powierzchnię.


Nad wyświetlaczem znajdują się dwie diody SMD. Ułatwiają zorientowanie się, gdzie wyświetlana jest dana informacja — pokażę to za chwilę.


Wyświetlacz jest dziewięciocyfrowy, siedmiosegmentowy. Dokładnie taki sam zastosowano w regulatorze głośności, który kiedyś recenzowałem. Widać, że w Chinach mają ich sporo, więc wysyłają montują je, gdzie popadnie.


Początkowo wydawało mi się, że wyświetlacz jest używany, ale po dokładniejszym obejrzeniu okazało się, że jest po prostu brudny, najpewniej od topnika. Nie wyklucza to jednak, że faktycznie jest używany.


Pod wyświetlaczem są trzy przyciski sterujące, w „chińskim” stylu, czyli plus po lewej, a minus po prawej.
Przyciski plus/minus regulują jasność wyświetlacza od zera (wyświetlacz jest wyłączony) do maksimum, a przycisk Function przełącza tryby wyświetlania. Wszystkie ustawienia są zapamiętywane, więc po ponownym włączeniu zostaną przywrócone ta sama jasność i ten sam tryb, które były ustawione przed wyłączeniem. Moim zdaniem to właściwe rozwiązanie.


Wszystkie elementy znajdują się po drugiej stronie płytki. Ogólna jakość montażu zasługuje najwyżej na trójkę, i to naciąganą.


Przetwornice zasilające wyświetlacz: na dole dla żarników, po prawej podwyższająca — dla anody.
Widać też sterownik, który odpowiada za wyświetlanie informacji.


Z drugiej strony znajduje się mikrokontroler i konwerter USB-UART. Tak, jest jeszcze brzęczyk, który po podłączeniu zasilania wydaje krótki, ale głośny „pip”. O ile dobrze rozumiem, służy też do sygnalizacji.


A to właśnie to, o czym pisałem na samym początku i co być może skłoniło sprzedawcę do podniesienia ceny. Mam wersję płytki 1.3, a na stronie produktu widnieje wersja 1.2. Kluczowa różnica polega na tym, że tutaj od razu zamontowano konwerter USB-UART i złącze miniUSB, przez które płytkę podłącza się do komputera w celu przesyłania danych i zasilania.


Sekcja ADC. Zaletą tego modelu amperomierza i woltomierza jest zastosowanie osobnych przetworników ADC, a nie tych wbudowanych w mikrokontroler. Sprzedawca podaje, że jest to 18-bitowy przetwornik ADC ΔΣ o częstotliwości próbkowania 3.75 SPS (18 bitów), 15 SPS (16 bitów) i 60 SPS (14 bitów). Deklarowana rozdzielczość wynosi 5 cyfr.
Ale, kochani, cóż za piękne lutowanie... Brak mi słów, przynajmniej tych kulturalnych. I tak jest na obu płytkach. Problemem nie jest nawet sam brud, lecz to, że topnik jest higroskopijny i może wpływać na parametry układu, zwłaszcza przy zmianach wilgotności powietrza.
Najlepiej byłoby to umyć i pokryć lakierem, ale po takim zabiegu niemal na pewno trzeba będzie ponownie skalibrować urządzenie.


Na płytce są niezrozumiałe pola lutownicze JP1–JP4: para w okolicy przetwornika ADC i para w okolicy bocznika. Jedna zworka jest zwarta, a kolejna służy do połączenia dodatniego zacisku bocznika z ujemnym wejściem woltomierza. Myślę, że bez schematu niełatwo zrozumieć, po co one tu w ogóle są.
Rezystancja boczników wynosi 17.5 mΩ.


Obok złącza USB znajduje się wyjście OC, oznaczone jako OC. Prawdopodobnie chodzi o Over Current. Ponieważ płytka pozwala ustawiać progi zabezpieczenia, możliwe, że jest to wyjście sygnalizujące zadziałanie zabezpieczenia. Z powodów opisanych niżej na razie tego nie sprawdziłem.


Płytki są wprawdzie takie same, ale mają jednak drobne różnice, na przykład zastosowano różne typy kondensatorów, a boczniki różnią się wyglądem, choć mają taką samą rezystancję.


Jakość montażu miejscami przygnębia: tu i ówdzie góry cyny, a po wyglądzie można sądzić, że lutowano zimną lutownicą. Przy złączu zasilania znajduje się też dodatkowy zespół tranzystorów, prawdopodobnie zabezpieczający wejście zasilania przed odwrotną polaryzacją.
Złącza na jednej z płytek są brudne, jakby używano ich już wcześniej.


Podłączenie. Wszystko wygląda tu tak samo jak w zwykłych amperomierzach i woltomierzach — i właśnie w tym tkwi problem. Małe i tanie mierniki o niskiej rozdzielczości nie zauważą skutków takiego podłączenia, ale tutaj rozdzielczość woltomierza jest już wyraźnie większa i pojawia się problem spadku napięcia na boczniku. Woltomierz mierzy napięcie przed bocznikiem, a nie za nim, więc wraz ze wzrostem obciążenia zmierzone napięcie będzie spadać. Ponieważ rozdzielczość woltomierza jest tu większa, błąd pomiaru będzie też wyraźniej narastał.
Jak pisałem wyżej, rezystancja bocznika wynosi 17.5 mΩ, a deklarowany prąd to 5 A. Przy takim prądzie spadek napięcia na boczniku wyniesie już 87 mV. Po uwzględnieniu spadków na pozostałych elementach wyjdzie prawie 0.1 V, a to dużo. Można by oczywiście skompensować ten spadek, korygując wynik „w locie”, bo da się go obliczyć matematycznie, ale nikt tego nie zrobił.
Jak zawsze, dodatkowe komplikacje może sprawić punkt podłączenia ujemnego przewodu woltomierza. W niektórych testach w ogóle go nie podłączałem.


Trochę poprawiła mi humor ilustracja z opisem podłączenia na stronie produktu :)


Regulacja jasności pozwala całkowicie wyłączyć wyświetlanie, a wraz z nim także żarzenie. Widać to po spadku pobieranego prądu (po lewej). Ogólnie pobór mocy nie jest duży — przy maksymalnej jasności wynosi do 1 W.


Wyżej pisałem, że nad wyświetlaczem są dwie diody LED. Zapalają się zależnie od trybu wyświetlania: czerwona znajduje się nad wskaźnikiem prądu, a niebieska nad wskaźnikiem napięcia. Dostępnych jest 6 trybów wyświetlania:
1. Amperomierz + woltomierz, wyświetlanie 4 cyfr
2. Amperomierz + woltomierz, rozdzielczość woltomierza zwiększona do 5 cyfr, a amperomierza zmniejszona do 3 cyfr
3. Jak w punkcie 2, ale „lustrzane odbicie”
4. Woltomierz o rozdzielczości 7 cyfr
5. Amperomierz o rozdzielczości 7 cyfr.
6. Watomierz.


Na stronie produktu znajduje się podobny opis, ale zawiera kilka błędów. Różni się kolejność przełączania trybów, kolor podświetlenia oraz to, że w trybie watomierza świecą w rzeczywistości obie diody.
Ogólnie sama zasada takiej sygnalizacji jest prosta i wygodna, spodobała mi się, ale diody świecą dość słabo, a z filtrem światła będzie już naprawdę kiepsko. Trzeba coś wymyślić.


Pierwszy test przeprowadziłem z użyciem wzorcowego źródła napięcia, które już kiedyś opisywałem.
Rzeczywiste wartości zmierzone na potrzeby testu pokazano w kolumnie Fluke 8508A.


Sprawdzałem w trybie maksymalnej rozdzielczości i okazało się, że na najmłodszej pozycji zawsze jest 0, a dwie poprzednie zmieniają się z dużym skokiem.
Na zdjęciu widać przełączanie wskazań — wartości pośrednich nie ma.


Właśnie dlatego zrobiłem nie 4, a 8 zdjęć, żeby pokazać, jak wygląda pomiar. Ponieważ zakres pomiarowy jest zmienny, po przekroczeniu napięcia 10 V zniknęło ostatnie, nieznaczące zero, a zmieniały się dwie ostatnie cyfry — znów jednak ze skokiem około 280 µV, czyli 0,28 mV albo 0,00028 V, jak kto woli.

Zasadniczo wszystko się zgadza: jeśli przyjąć, że cały zakres przetwornika ADC obejmuje napięcie od zera do maksymalnych 30 V, to przy rozdzielczości 18 bitów otrzymujemy 1/262144, czyli 114 µV. Innymi słowy, konstruktor po prostu wyświetlił wszystko, co dostaje z ADC, nie zastanawiając się specjalnie, które cyfry mają znaczenie, a które nie. W praktyce można uznać za wiarygodne maksymalnie 5 cyfr, co zresztą podano w specyfikacji.


A teraz kilka zdjęć, żeby pokazać, jak wyglądają te płytki. Na stronie produktu podano, że są kalibrowane za pomocą precyzyjnych przyrządów pomiarowych. Mój przyrząd oczywiście nie jest tej klasy, więc wyniki nie będą aż tak miarodajne.
Zacznijmy od napięcia około 1 mV — raczej nikt nie będzie mierzył jeszcze mniejszych wartości.
Powiedziałbym, że jest całkiem nieźle. Na zdjęciu z napięciem 5 V widać zresztą, że rozdzielczość wynosi 280 µV, czyli wskazanie zmienia się mniej więcej co taki krok.


Pomiar prądu sprawdzałem, zaczynając od około 0,5 mA. Wskazanie zaczyna się od 0,22 mA, a dalej zmienia się głównie co 0,11 mA, czyli 0,22–0,33–0,44 mA itd.
Większość zdjęć pokazujących to zjawisko zamieściłem parami: prąd jest na nich taki sam, ale widać wahania o minimalny krok pomiarowy.


Na tym etapie pomyślałem: właściwie dlaczego sprawdzam tylko jedną płytkę? Test dwóch będzie znacznie bardziej miarodajny, a przy okazji sprawdzę dokładność ich wzajemnej kalibracji. To zawsze jakaś statystyka.
Wziąłem dwie płytki, połączyłem równolegle wejścia pomiaru napięcia i zasiliłem je z powerbanku, żeby nie być uzależnionym od sieci.
I wtedy wyszedł ciekawy szczegół, widoczny na pierwszym i drugim zdjęciu. Płytka, którą zasilono jako ostatnią, zamiast zer pokazywała jakieś bzdury.
Musiałem użyć dwóch powerbanków i całkowicie odseparować zasilanie płytek. Nawet wtedy wskazania na ekranie nie zawsze wynosiły zero, ale były takie same: na przykład na obu płytkach zera, potem na jednej 280 na trzech najmłodszych pozycjach, a następnie to samo na drugiej albo na obu. W praktyce była to niestabilność jednej cyfry na ostatniej pozycji, ale tutaj jedna jednostka odpowiada 280 µV.


Mogę więc powiedzieć, że zarówno dokładność do 5 cyfr, jak i wzajemna kalibracja są bardzo dobre — przynajmniej niewiele gorsze niż w moim multimetrze.


Niestety, z pomiarem prądu nie jest już tak dobrze — jedna płytka wyraźnie zawyża wskazania.


Ale później czekała mnie prawdziwa niespodzianka. Składając zamówienie, zastanawiałem się, dlaczego producent tak mocno ograniczył parametry do 30 V i 5 A, skoro przydałoby się choć trochę więcej.
Podczas testu okazało się, że:
1. Maksymalne mierzone napięcie wynosi 37,5 V. Na drugim zdjęciu woltomierz doszedł do limitu i dalej wskazanie już się nie zmienia. Co ciekawe, limit jest inny dla każdej płytki.
2. Zwiększyłem prąd do 8,5 A i pomiar nadal działał. Dalej odpuściłem, bo szkoda mi było bocznika — zaczął się wyraźnie nagrzewać, a wydzielało się na nim około 1,2 W. Akurat użyłem płytki z cienkim bocznikiem, ale nic nie stoi na przeszkodzie, żeby zastosować mocniejszy. Co ciekawe, wpływ nagrzewania na wskazania był bardzo niewielki, co cieszy.



Na samym początku pisałem, że płytka obsługuje połączenie z komputerem. Sprzedawca bez problemu udostępnił program, ale okazało się, że nie wszystko jest takie proste.
Zgodnie z założeniem program wyświetla napięcie, prąd i moc — całkiem wygodne rozwiązanie.


Jest tu też osobny przycisk uruchamiający tryb kalibracji. Wprowadza się w nim rzeczywistą wartość napięcia lub prądu i, o ile dobrze rozumiem, płytka powinna przyjąć ją jako prawidłową. Ponadto jest przycisk przywracania ustawień fabrycznych.


Pisałem już wyżej, że płytka potrafi sygnalizować przekroczenie progów. Próg prądu i napięcia ustawia się w oprogramowaniu; można określić zarówno górną, jak i dolną granicę.


Wszystko byłoby niemal idealne — pomijając oczywiście fakt, że oprogramowanie jest po chińsku — gdyby tylko działało.
Na początek: mój antywirus zgłasza zastrzeżenia do tego programu, ale do chińskiego oprogramowania zdążyłem już przywyknąć. Poza tym działa ono tylko po uruchomieniu jako administrator. Najwięcej, co udało mi się osiągnąć, to zliczanie odebranych pakietów danych i zmiana liczby wyświetlanych cyfr. Przy zwykłym uruchomieniu widnieje 0.0000 i dane nie są odbierane, a po uruchomieniu jako administrator wskazanie zmienia się na 00.000, dane są odbierane, ale poza tym nic się nie dzieje...
Napisałem do sprzedawcy, ale na razie nie ma odpowiedzi.

Dodatkowe testy wykazały, że oprogramowanie bez problemu pozwala ustawić próg alarmowy i funkcja ta działa, ale bieżące napięcie i prąd nadal nie są wyświetlane na ekranie programu.



Powyżej napisałem sporo i dodałem wiele różnych zdjęć, ale chyba łatwiej będzie przeczytać wnioski, żeby zrozumieć, czym jest ten amperomierz z woltomierzem — w skrócie.

Zalety — VFD, między innymi dlatego go kupiłem; osobne przetworniki ADC; niezła dokładność (woltomierza porównywalna z moim „uni-t”); kilka trybów wyświetlania i dodatkowe wskaźniki; regulacja jasności; brak migotania podczas fotografowania (czasem to ważne); możliwość podłączenia do komputera; ustawianie progów alarmowych. Rzeczywisty zakres pomiarowy jest znacznie większy od deklarowanego. Wskazania odświeżane są około 4 razy na sekundę.

Wady — dokładność pomiaru prądu jednak kuleje; oprogramowanie jest po chińsku i czuję, że będę musiał się namęczyć, żeby działało poprawnie; jakość wykonania nie jest najwyższa; spadek napięcia na boczniku wpływa na wynik pomiaru woltomierza.

Podsumowanie — siedzę teraz i zastanawiam się, gdzie go przykleić wykorzystać. Do zasilacza albo obciążenia elektronicznego dokładność pomiaru i rozdzielczość są chyba aż za duże, a jako osobny przyrząd pomiarowy jest po prostu niewygodny i niezbyt funkcjonalny. Kupiłem go, bo miałem ochotę; chodził mi po głowie pomysł zbudowania dwukanałowego zasilacza liniowego. Pomiar prądu obarczony jest zauważalnym błędem, przynajmniej w jednym egzemplarzu. Płytka ma też problem z pomiarem małych prądów, ale, moi drodzy, przy prądzie 1 mA spadek napięcia na boczniku wynosi zaledwie 17 µV! A ona to mierzy!
Nie wiadomo, po co wyprowadzono na ekran 7 cyfr, skoro jedna w ogóle nie działa, a dwie mają duży skok przy przełączaniu. Deklarowane 5 cyfr przyrząd pokazuje dopiero przy napięciu 10 V i wyższym, wcześniej są tylko 4.

Ogólnie rzecz biorąc, jest to dość niejednoznaczny sprzęt, ale mnie osobiście te płytki bardziej się podobają, niż nie podobają, i myślę, że znajdę dla nich jakieś zastosowanie — choćby ze względu na parametry i wygląd :)