Робототехника · Основы электроники · 8 класс

Измерения мультиметром

Цепь не горит. Где обрыв? Ищите не глазами, а мультиметром.

Ситуация

Цепь, собранная в кружке, — батарейка, два резистора, два светодиода — не горит. Провода на месте, резисторы новые, батарейку взяли вчера… Глазами ничего не видно. Мастера в таких случаях не ищут — они измеряют: в последовательной цепи обрыв там, куда падает всё напряжение. Возьмите мультиметр: напряжение измеряйте на частях цепи, ток — разорвав цепь и включив прибор последовательно, сопротивление и «прозвонку» — при обесточенной цепи. Неисправность каждый раз случайная: оборванный провод, перегоревший резистор, светодиод наоборот, севшая батарейка, холодный контакт или перемычка. Найдёте её за три измерения?

Тема

Измерения мультиметром. Цепь не работает — где обрыв? Напряжение, ток, сопротивление и режим «прозвонки»

Ключевые понятия

Напряжение и ток
Прозвонка
Поиск неисправности

Формулы

U = U_{1} + U_{2} + \dots + U_{n}

Правило последовательной цепи: напряжение источника делится между частями; в цепи без тока на всех частях 0 В, а на обрыве — всё $U$ .

I = \frac{U - U_{L E D 1} - U_{L E D 2}}{R_{1} + R_{2}} = \frac{9 - 3,8}{320} \approx 16 мА

Ток в исправной цепи: на два красных светодиода по ≈ 1,9 В, остальное — на резисторы. Амперметр включается последовательно, с разрывом цепи.

U_{н а г р} = ℰ - I \cdot r

Напряжение батарейки под нагрузкой падает из-за внутреннего сопротивления $r$ : севшая батарейка без нагрузки показывает 7,5 В, в цепи — 4,7 В.

R_{к о н т} = \frac{U_{к о н т}}{I}

Между двумя ножками в одном столбце напряжения быть не может — если оно есть, между ними сопротивление: холодная пайка или окислившийся контакт.

Теория

Не ищите — измеряйте

Осмотр неисправной цепи глазами даёт мало: провод оборван внутри изоляции, резистор снаружи цел, ножки светодиодов выглядят одинаково. А мультиметр показывает невидимое. Первый вопрос всегда один: есть ли ток в цепи? Светодиоды не горят — значит, либо нет тока (обрыв), либо не хватает напряжения (батарейка, плохой контакт), либо светодиод подключён неправильно.

Поиск по напряжению

В режиме V⎓ щупы ставятся на два конца части параллельно. В последовательной цепи $U = U_{1} + U_{2} + \dots$ . Если ток не идёт, на резисторах и светодиодах напряжение нулевое — почти весь 9 В источника падает на обрыве: на оборванном проводе, перегоревшем резисторе или светодиоде наоборот вы увидите 8–9 В (один-два вольта «утекают» через светодиоды на собственные 10 МОм мультиметра). Чтобы найти быстрее, измеряйте, деля цепь пополам: если от «+» батарейки до конца W₂ есть 9 В, неисправность в этой половине, затем разделите её ещё раз. 7 частей можно проверить за 3 измерения.

Прозвонка и проверка диода

Положение «→| •)))» мультиметра пропускает собственный ток 1 мА и показывает напряжение между щупами. Если провод цел — 0,000 В и писк («прозвонка»); оборванный провод — OL, тишина. Если приложить к диоду или светодиоду: в прямом направлении (красный щуп на аноде) ≈ 1,9 В, в обратном — OL. Так находят светодиод наоборот: он показывает 9 В и кажется «оборванным», но если поменять щупы, получится 1,9 В. Важно: эти режимы и Ω работают только при отключённой батарейке — ток цепи обманывает прибор.

Измерение тока: последовательно и предохранитель

Амперметр включается в путь тока последовательно: снимите провод и вместо него поставьте щупы. Цепь замыкается через прибор, сопротивление шунта мало (1 Ом на 200 мА). Ошибки: в режиме V последовательно — цепь «разомкнута» через 10 МОм, светодиоды гаснут, на дисплее 9 В; в режиме A параллельно — шунт замыкает батарейку накоротко, и предохранитель на 200 мА перегорает. Гнездо mA защищено, а гнездо 10 A — без защиты, но грубое: 16 мА оно покажет как 0,02 А. Правило: сначала большой диапазон, потом поменьше — на дисплее больше цифр.

Батарейка и контакты

Севшая батарейка хитрит: без нагрузки (отключённая от цепи) показывает 7,5 В — «вроде хорошая». Но её внутреннее сопротивление выросло: когда в цепи идёт ток, напряжение падает до $ℰ - I r$ — 4,7 В, светодиоды тусклые. Поэтому батарейку измеряют под нагрузкой. Холодная пайка или окислившийся контакт — невидимый резистор в цепи: между двумя ножками в одном столбце должно быть 0 В, а в неисправном месте несколько вольт; в режиме Ω (при обесточенной цепи) — 1,5 кОм. Перемычка (капля олова или волосок провода) обходит светодиод: светодиод не горит, на нём 0 В, прозвонка пищит.

О модели

Цепь считается методом узловых потенциалов: каждая ножка и конец провода — отдельный узел, соединённый с полосой через контакт 0,01 Ом (плохой контакт — 1,5 кОм). Светодиод: до 1,9 В тока нет, затем 2 Ом; в проверке диода при 1 мА показывает ≈ 1,9 В (настоящий красный светодиод при этом токе ≈ 1,7 В). Батарейка: 9 В, 1,7 Ом; севшая — 7,5 В, 1 кОм. Мультиметр: V⎓ 10 МОм, A⎓ шунт (200 мА — 1 Ом, 20 мА — 10 Ом, 10 А — 0,01 Ом), 1999 отсчётов, предохранитель гнезда mA 200 мА. Неисправности выбираются случайно; перемычка и обрыв провода на рисунке не видны — нарочно.

Знаете ли вы?

Большинство цифровых мультиметров «3½-разрядные»: на дисплее максимум 1999 — первая цифра может быть только 0 или 1. Поэтому для измерения 2 В нужен диапазон 20 В, а 1,999 В помещается в диапазон 2000 мВ.
Дешёвые мультиметры типа DT-830 появились в 1980-х годах и до сих пор остаются самым продаваемым измерительным прибором в мире; внутри одна микросхема ICL7106 — аналого-цифровой преобразователь и драйвер дисплея в одном чипе.

Что внутри эксперимента

Настоящая плата в рисованной изометрии: вы поворачиваете её, ставите детали, собираете цепь, пишете и загружаете код — ток и напряжение считаются сразу, а при ошибке деталь сгорает. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия.

Другие эксперименты раздела

Резисторы: цветовая маркировка — 7 класс
Делитель напряжения и потенциометр — 7 класс
Конденсатор: зарядка и время RC — 7 класс
Диод и выпрямитель — 8 класс
Транзистор — ключ — 8 класс