Zkoušečka zkratu

Popis stavby zkoušečky podle dříve uveřejněného článku, návrh PCB, výpočty a praktické zkušenosti ze stavby.

Často se mi stává, že když něco potřebuju, tak to za mnou samo přijde. Nejinak tomu bylo i v případě této zkoušečky. Po večerech jsem si navrhnul tišťák, vyleptal, protože jsem se chystal vyzkoušet pájení horkým vzduchem, zaimprovizoval jsem s horkovzdušnou pistolí a místo pasty jsem krájel na půlkolečka trubičkový cín. Výsledek fungoval, i když jsem tišťák trochu připekl.

Tak jsem ho doplnil ještě piezzo sirénkou a po lehkém doladění rašplí vestavěl do injekční stříkačky. A zafixoval na několika místech lepidlem z tavné pistole.
Nejdřív to moc nedrželo, ale po domluvě horkovzdušnou pistolí, dotvarování konektoru zpět do stavu, kdy šlo připojit napájení a narovnání zkroucené stříkačky byla zkoušečka už mechanicky pevná, snadno použitelná a šikovná do ruky.

Takže je zřejmé, že problémy přišly odjinud. Zkoušečka byla krásná, ale nezkoušela. Nejdřív byly problémy s laděním, naprosto nedrželo hodnoty mezi jednotlivými měřeními. To by ještě nebyl takový problém, stačilo to pokaždé nastavit znova. Jenže na Robotickém dni jsem slíbil napsat o zkoušečce článek a od té chvíle se už nedala pořádně nastavit vůbec – buď svítila, nebo ne, celkem bez ohledu na to, co jsem měřil. Protože nastavování a ladění díky stísněným rozměrům šlo špatně, tak jsem ji zase složitě vyndal a začal zkoušet. Na otáčení potenciometru reagovala mnohem ochotněji, než na změnu měřeného objektu.
Vyzkoušel jsem ještě různé úpravy zapojení, ale prostě to záviselo mnohem víc na nastavení, než na měřeném předmětu.
Když selže vše ostatní, může se ještě člověk obrátit na odbornou literaturu.

Proměřil všechny součástky a zjistil, že:

• když křeček je sameček a není těhotný
• když v destilované vodě neplavou temně zelené řasy
• když drát k sondě není přetržený
• když zesilovač není napůl spálený a neprobíjí do vstupu

zkrátka když se všechno udělá správně, tak jak to mělo být od začátku, tak A->b.

Zkoušečka už zase zkouší, ale nová sirénka je příliš citlivá a piští i při rozpojených kontaktech sondy. (Následně se ukázalo, že 2V na výstupu ji k pištění stačí)

Co se různých změn zapojení týče, došel jsem k závěru, že náhodné úpravy nejsou to pravé, pokud neznám poměry uvnitř, takže jsem si na to napsal prográmek v Pythonu a jeho výstup dává celkem jasnou odpověď na to, jak to uvnitř vypadá.

#!/usr/bin/python -u
# vim: fileencoding=utf-8:nowrap:textwidth=0:foldmethod=marker:foldcolumn=4:ruler:showcmd:lcs=tab\:|- list

# r2,3 = 1k, r5,7 = 22k, r4 = 470k, r6=10/0
# rx1+rx2=5k

# celkovy odpor:

def fn(pr1,pr2): # {{{ 0..1 - sonda a potak
# print '-'*30
 U=12.0
 r2=r3 = 1000.0
 r5=r7 = 22000.0
 r4 = 470000.0
 r6=10.0
 P23=5000.0
 p2=P23*pr2
 p3=P23-p2
 p1=r6*pr1

rabc=r4+p2+r2+r5
 RA=(r4*r5)/rabc
 RB=((p2+r2)*r4)/rabc
 RC=((p2+r2)*r5)/rabc

# print RA,RB,RC
 RD=1.0/(1.0/(RB+p3+r3)+1.0/(RC+p1))
 Itot=U/(RA+RD+r7)
# print 'Itot=%suA' % (Itot*1000000)
 I7=IA=Itot

UA=RA*IA
 U7=r7*I7
 IC=(U-UA-U7)/(RC+p1)
 IB=(U-UA-U7)/(RB+p3+r3)
 UB=IB*RB
 UC=IC*RC
# print 'I: %suA = %suA + %suA'%(IA*1000000,IB*1000000,IC*1000000)

Ip3=Ir3=IB
 Ip1=IC

Up3=p3*Ip3
 Ur3=r3*Ir3
 Up1=p1*Ip1
 U4=UA+UB
 I4=U4/r4
 U5=UA+UC
 I5=U5/r5
 U2=UC-UB
 I2=U2/(r2+p2)
 Ur2=r2*I2
 Up2=p2*I2
 #############
 Uv1=U7+Ur3
 Uv2=U7+Up1+Ur2
 print "sonda: %s%%, \tnast. %s%% \t=> dUv = %5.2fmV; \tUs: %5.2fmV \tIs: %5.2f" % (
 round(100*pr1),round(100*pr2),(Uv1- Uv2)*1000,Up1*1000,(Ip1*(1-pr1)*1000000)
 )
# print "%s%%, %s%% => Uv: %sV - %sV = %smV; Us: %smV" % (round(100*pr1),round(100*pr2),Uv1,Uv2,(Uv1- Uv2)*1000,Up1*1000)

# }}}

for p in (0.0,0.5,1.0):
 print
 for s in (0.0,0.5,1.0):
 fn(s,p)

Proměnné jsou snad celkem jasné, postup výpočtu vychází z přiložených schémat,

kde jsem nejdřív sondu paralelně připojenou k odporu R1 nahradil jedním souhrnným proměnným odporem P1 (0..10 ohm) a nastavovací potenciometr rozdělil na dva proměnné odpory P2 a P3, následně nahradil trojúhelník mezi body ABC hvězdou (http://reseneulohy.cz/33/transformace-trojuhelnik—hvezda) a nakonec dvě paralelní větve souhrnným odporem RD. Poté už šel snadno spočíst celkový odpor a tudíž celkový proud, z toho vyplynulo napětí na RD, načež šlo spočíst proud oběma jeho větvemi, jednotlivá napětí, nahradit hvězdu původním trojúhelnikem a dopočíst zbytek.

Na konec výpočet spustím pro všechny kombinace rozpojené/50%/zkratované sondy a 0/50/100% ladícího potenciometru.

sonda: 0.0%, nast. 0.0% => dUv = -8.89mV; Us: 0.00mV Is: 277.17
sonda: 50.0%, nast. 0.0% => dUv = -9.88mV; Us: 1.38mV Is: 138.47
sonda: 100.0%, nast. 0.0% => dUv = -10.87mV; Us: 2.77mV Is: 0.00

sonda: 0.0%, nast. 50.0% => dUv = 0.00mV; Us: 0.00mV Is: 272.73
sonda: 50.0%, nast. 50.0% => dUv = -0.97mV; Us: 1.36mV Is: 136.25
sonda: 100.0%, nast. 50.0% => dUv = -1.94mV; Us: 2.72mV Is: 0.00

sonda: 0.0%, nast. 100.0% => dUv = 8.89mV; Us: 0.00mV Is: 268.28
sonda: 50.0%, nast. 100.0% => dUv = 7.94mV; Us: 1.34mV Is: 134.03
sonda: 100.0%, nast. 100.0% => dUv = 6.98mV; Us: 2.68mV Is: 0.00

Z výstupu je vidět, že rozdíl napětí na vstupech zesilovače se v závislosti na měřeném odporu pohybuje o přibližně 2 mV od plného zkratu po rozpojení. A ladicím potenciometrem můžeme rozdíl napětí na vstupech při zkratu posouvat od -8,9 mV do +8,9 mV.
Zároveň napětí na sondě se pohybuje od 0 mV a 268 μA při zkratu do 2,77 mV a 0 μA při rozpojené sondě, pro 10 ohmovou zátěž je pak napětí i proud zhruba poloviční, takže máme odhad maximálního možného zatížení měřeného obvodu.
Zároveň můžeme vypočtené hodnoty použít při oživování zkoušečky nebo při řešení libovolných problémů s ní. Případně lze změnou hodnot odporů zjistit, jak se nám změní poměry, pokud bychom potřebovali měřit v jiné oblasti proudů a napětí, nebo potřebovali větší/menší rozdíl napětí na vstupech zesilovače.
Co se výstupu týče, naměřil jsem následující hodnoty s připojenou LED i sirénkou

zátěž Uvst Uvýst
zkrat 0 8,2
rozp. 0,02 2,0

Problém se sirénkou je, že piští (slabě) i při malém napětí (2 V), což jsem vyřešil ohavným hackem v podobě seriově zapojené diody obecné, na které se celkem bez hledu na odběr ztratí nějakých 0,7 V což stačí k umlčení sirénky [obr:001-hack.jpg] což jsem vtipně zamaskoval (a odizoloval) smršťovací bužírkou

Nějaké poznámky k výrobě podobných PCB mám i na svém Divnoblogu, výsledek můžete vidět na následujících fotografiích (rašplí dofitovaný konektor bohužel nesedí zcela přesně, ale vejde se.

Takhle to vypadá neoblečené:

Co se sestavování týče, s novými součástkami by to mělo chodit na první pokus, v případě potíží doporučuji zkontrolovat napětí na sondě, vstupech zesilovače a na jeho výstupu při odpojené zátěži (LED a sirénka). Napájecí konektor je nejcitlivější na teplo, navíc má celkem široké nožičky, takže opatrně, nebo se vám zdeformuje (a nahrbí, čímž bude mnohem složitější se s ním vejít do stříkačky.

Samotná destička by se měla vejít do běžné stříkačky 20 ml, v případě potřeby ji lze postupně strefovací metodou zbrousit po stranách (osvědčila se mi rašple). Pokud překáží napájecí konektor, lze mu srazit hrany pilníkem. Celkově by měla zkoušečka uvnitř držet přiměřenou silou (drobné zelipsovatění stříkačky není na závadu). Nakonec si naznačíme dírku pro volnou sondu a pro zvuk (zpředu) a při vyndané destičce je vyvrtáme.

Pro porovnání o 40 let starší technologie na měření 0V/5V/nezapojeno – taky používá 8-nohý IO 🙂