Modificação de Voltímetro/Amperímetro DC

[Bruno Faria]

Olá colegas!

 

Venho pedir auxílio para realizar uma montagem para a bancada. Preciso utilizar um instrumento de medição, voltímetro/amperímetro digital DC, de 0 a 100V e de 0 a 10A que já possuo (não gostaria de comprar outro).

 

O problema: o amperímetro só mede a corrente na linha do negativo. Se eu tento utilizar no positivo da fonte, ele fecha curto entre esse positivo da medição da corrente e o negativo (da alimentação do próprio instrumento) e a fonte entra em proteção.

 

Solicito essa ajuda para tentar modificar o circuito para que a corrente seja medida no positivo, realizando as alterações de trilhas/componentes necessárias. O objetivo é não gastar mais $$ e aprender um pouco mais com os colegas. Se não for possível tal alteração, aceitarei e seguirei o caminho, possivelmente comprando outro instrumento que faça a medição conforme preciso.

 

Seguem as fotos do instrumento e o esquema reverso da placa:

 

 

 

 

 

Coloquei no esquema somente o essencial. Não está nele o botão de zerar os displays e nem os displays.

 

A ajuda será bem vinda, obrigado.

Editado: 23 de Maio de 2024 por Bruno Faria

[Jack O'Neo]

Qual a tensão em c4?
 

[Jack O'Neo]

Vou rearranjar o esquema para melhor entendimento.
Geralmente o pessoal faz esse tipo de de coisa referenciando a corrente no terra pois é bem mais simples e barato de comparar a tensão no shunt com 0V e amplificar o valor para criar uma representação numérica proporcional para apresentar no display.

A maior desvantagem de ter o shunt no lado positivo da fonte é que a tensão que vai circular na carga tende a ser menor do que aquela que está marcada na fonte pois haverá uma queda de tensão proporcional a corrente que circula pelo shunt, embora num shunt de valor baixo como 0,05 isso não é tão problemático em 10A de corrente a diferença de tensão seria de 0,5V.

Seria interessante averiguares as tensões nos dois lados de c6 e no positivo do c2 com 1V e 1A passando por ele na forma convencional de uso, e também anotar os valores para 0v 0A passando por ele.
Basicamente terás que projetar um circuito auxiliar capaz de extrair a diferença de tensão entre a entrada e a saída do shunt que doravante será positivo, eliminando a tensão de trabalho da fonte que passa pelo shunt, e modular esta queda de tensão para se equiparar a tensão original que chega em U1 quando na mesma situação de uso do amperímetro que tem agora, muito provavelmente utilizando o mesmo shunt a queda de tensão será similar ao que atualmente existe.

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Algo como o circuito do link deve resolver o problema, a questão é que exige fonte simétrica para alimentação dos op amps, e que os op amps a serem utilizados tem de suportar a tensão de saída da fonte na qual utilizará o amperímetro, ou então terás que criar referencias dessas duas tensões usando divisores resistivos para compatibilizá-las com o op amp usado.
 

[Jack O'Neo]

A área que interessa para a medição de corrente é esta aqui abaixo.
R2+RV1 e R1 definem o ganho do amplificador. Neste caso a fórmula para o ganho é: (R2 / R1) + 1 = ganho. Portanto ganho 15 aproximadamente, se R1 = 8.2k.

Sendo assim a tensão na saída do op-amp que vai para o U1 será 15 x maior que o valor da queda de tensão no SHUNT.

A ideia então é aplicar aquele circuito do link que passei anteriormente com as entradas uma em cada lado do shunt, e ligar a saída dele na entrada não inversora do op-amp original depois de eliminar R3 e R4.

Todavia seria bom testar o correto funcionamento do circuito complementar antes de proceder com a mudança, não o testei e não sei se ele vai realmente entregar apenas a queda de tensão do shunt, embora a fonte seja de confiança. 

 

[Bruno Faria]

23 horas atrás, Jack O'Neo disse:

Qual a tensão em c4?
 

 

Olá, colega. Obrigado pelas respostas.

 

A tensão é de 3,3V.

[Bruno Faria]

17 horas atrás, Jack O'Neo disse:

A área que interessa para a medição de corrente é esta aqui abaixo.
R2+RV1 e R1 definem o ganho do amplificador. Neste caso a fórmula para o ganho é: (R2 / R1) + 1 = ganho. Portanto ganho 15 aproximadamente, se R1 = 8.2k.

Sendo assim a tensão na saída do op-amp que vai para o U1 será 15 x maior que o valor da queda de tensão no SHUNT.

A ideia então é aplicar aquele circuito do link que passei anteriormente com as entradas uma em cada lado do shunt, e ligar a saída dele na entrada não inversora do op-amp original depois de eliminar R3 e R4.

Todavia seria bom testar o correto funcionamento do circuito complementar antes de proceder com a mudança, não o testei e não sei se ele vai realmente entregar apenas a queda de tensão do shunt, embora a fonte seja de confiança. 

 

 

Acho que entendi.

 

Vou coletar as informações que pediste (Tensões em C6 e em C2 com 1V 1A e 0V 0A). O circuito proposto não é tão grande e complicado (um LM324 e resistores), posso tentar fazer e analisar os resultados. Se não ficar satisfatório, parto para uma solução com arduino e display LCD, os quais já tenho aqui.

 

A aplicação desse instrumento será num painel da bancada. Serão 3 tensões e 3 correntes a ser medidas. Esse módulo do painel possui uma fonte ATX, um voltímetro/amperímetro aplicado a 12V, outro para 5V e outro para 3,3V. Depois mando mais informações sobre esse painel, por enquanto estou na fase de montagem do cabeamento e da interface.

[Bruno Faria]

23 horas atrás, Jack O'Neo disse:

Seria interessante averiguares as tensões nos dois lados de c6 e no positivo do c2 com 1V e 1A passando por ele na forma convencional de uso, e também anotar os valores para 0v 0A passando por ele.

 

Circuito da placa alimentado com 11,7V. Fonte para a carga (resistor de 5 ohms) separada, limitada em 1V e 1A
Tensão em C6 com 1V 1A de consumo no circuito do amperímetro --> 0,36V
Tensão em C6 com 0V 0A de consumo no circuito do amperímetro --> 0,54V
Tensão no positivo de C2 com 1V 1A de consumo no circuito do amperímetro --> 0,09V
Tensão no positivo de C2 com 0V 0A de consumo no circuito do amperímetro --> 0,03V

[Jack O'Neo]

Estou tendo dificuldade de interpretar o resultado das leituras em C6, imaginei que haveria uma tensão menor quando em 0V e 0A.
Por gentileza certifique-se de que a tensão medida em c6 é aquela que está ligada na saída do U1.

Ajustei o circuito agora para corresponder mais ou menos ao funcionamento do teu medidor como está atualmente.

 

Sobre o circuito proposto a ideia é utilizar o mesmo arranjo mas preferencialmente com op-amps melhores do que o LM324, pode-se tentar com ele também, vai que cola. 

 

 

[Jack O'Neo]

Seria interessante averiguar a tensão máxima que vai representar 10A circulando no circuito também, deveria imagino ser algo bem linear e previsível. 

[Jack O'Neo]

A alteração proposta é algo como isto:

 

[Bruno Faria]

5 horas atrás, Jack O'Neo disse:

Por gentileza certifique-se de que a tensão medida em c6 é aquela que está ligada na saída do U1.

 

Acredito que por interpretação errada minha acabei medindo a tensão em cima do componente e não a tensão do terra ao terminal de C6 ligado ao U1.

 

Seguem as medições:

Circuito da placa alimentado com 11,7V. Fonte para a carga (resistor de 5 ohms) separada, limitada em 1V e 1A
Tensão do GND ao C6-U1 pino 7 com 1V 1A de consumo no circuito do amperímetro --> 0,242V
Tensão do GND ao C6-U1 pino 7 com 0V 0A de consumo no circuito do amperímetro --> 0,115V
 

 

 

5 horas atrás, Jack O'Neo disse:

Seria interessante averiguar a tensão máxima que vai representar 10A circulando no circuito também, deveria imagino ser algo bem linear e previsível. 

 

Com o arranjo atual aqui não consigo fazer o teste com 10A, apenas com 5A. Mas se for necessário fazer com 10A farei.

 

Com resistor de 1 ohm como carga, queda de tensão no resistor 5V e fonte limitada a 5A
Tensão do GND ao C6-U1 pino 7 com 5A de consumo no circuito do amperímetro --> 0,755V
Tensão do GND ao C6-U1 pino 6 com 5A de consumo no circuito do amperímetro --> 0,032V
 

 

[Bruno Faria]

Tenho aqui no estoque o TL084, acredito ser melhor do que o LM324.

[Jack O'Neo]

@Bruno Faria O tl084 dependendo da aplicação é excelente sim, mas neste caso acredito que entre ele e o lm324, eu ficaria com o lm324.
Quando falo de op-amps melhores me refiro a algo como os AD8613A que são ideais pra instrumentação devido ao Offset voltage: 2.2 mV maximo, tipicamente 0.4mV, mas teria que encontrar algum outro com características similares, que aceitasse a tensão na qual vai trabalhar com um pouco de sobra.

Basicamente com op-amps melhores o RV2 do último circuito seria dispensável talvez (provavelmente sim), mas com a inclusão de RV2 tu acabas podendo modular um pouco a tensão que estás lendo do circuito...

O LM324 geralmente faz bem o trabalho dele, meu receio sobre ele, vem dos vários nobreaks que consertei onde ele geralmente estava queimado.  

Talvez o @William_R tenha alguma dica.  

[Bruno Faria]

2 horas atrás, Jack O'Neo disse:

@Bruno Faria O tl084 dependendo da aplicação é excelente sim, mas neste caso acredito que entre ele e o lm324, eu ficaria com o lm324.
Quando falo de op-amps melhores me refiro a algo como os AD8613A que são ideais pra instrumentação devido ao Offset voltage: 2.2 mV maximo, tipicamente 0.4mV, mas teria que encontrar algum outro com características similares, que aceitasse a tensão na qual vai trabalhar com um pouco de sobra.

Basicamente com op-amps melhores o RV2 do último circuito seria dispensável talvez (provavelmente sim), mas com a inclusão de RV2 tu acabas podendo modular um pouco a tensão que estás lendo do circuito...

O LM324 geralmente faz bem o trabalho dele, meu receio sobre ele, vem dos vários nobreaks que consertei onde ele geralmente estava queimado.  

Talvez o @William_R tenha alguma dica.  

 

Ok. Achei no estoque aqui também o LM339, o Offset Voltage 5mV máximo e 2mV típico.

Editado: 25 de Maio de 2024 por Bruno Faria

[William_R]

O LM324 eh um bom integrado robusto que usa internamente transistores BJT, no caso de Nobreak ele costuma queimar pois no geral ele tem ligação com a rede eletrica o que o torna suscetível a descargas eletricas como as de raio.  Jah o TL084 utiliza tansistores JFET na sua entrada.

 

O LM339 eh um OPEN-COLLECTOR que exige resistores de PULL-UP para o seu funcionamento.

 

 

[Jack O'Neo]

É, eu ainda prefiro o LM324 dentre estas opções.
 

[Hevandyr]

Em algumas literaturas dizem que o LT1013 é o similar melhorado do LM358 e o LT1014 seria então o LM324 melhorado. Não consegui ainda fazer uma comparação real, mas fica a dica também.

22 horas atrás, Jack O'Neo disse:

É, eu ainda prefiro o LM324 dentre estas opções.
 

Em algumas literaturas dizem que o LT1013 é o similar melhorado do LM358 e o LT1014 seria então o LM324 melhorado. Não consegui ainda fazer uma comparação real, mas fica a dica também.

[Jack O'Neo]

2 horas atrás, Hevandyr disse:

Em algumas literaturas dizem que o LT1013 é o similar melhorado do LM358 e o LT1014 seria então o LM324 melhorado. Não consegui ainda fazer uma comparação real, mas fica a dica também.

Realmente, são excelentes opções.  

[Jack O'Neo]

@Hevandyr Inclusive eles criaram uma variação do circuito proposto que, muito provavelmente, interferirá ainda menos durante a leitura da tensão sobre o shunt, previram até remoção de ruído comum nos cabos, utilizando o último op-amp do involucro (fiquei com vontade de montar um mesmo sem ter onde usar haeuhaehueauhae), duro é o preço do dito cujo no Brasil chega a ser 20x mais caro, mas a ideia de usar os 2n2222 como diodos neste circuito me encanta, trecho do datasheet abaixo:

[Bruno Faria]

Olá colegas.

 

 

 

Montei o circuito proposto acima na protoboard para análise dos resultados. Seguem:

 

ENSAIO 1:

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Circuito do voltímetro/amperímetro alimentado com 12V

Circuito do LM324 alimentado com 3,3V da própria placa do voltímetro

Carga ligada na linha do +12V

Carga: lâmpada de 20W

Corrente da carga: 1,65A

RV2 ajustado para 38Kohms

OBS: Cortei a trilha do negativo do shunt na placa, para ligá-lo na linha do +12V

 

Queda de tensão no SHUNT: 7,2mV, aplicados nas entradas do LM324 (pinos 3 e 10)

 

Saída no pino 7 sem carga aplicada: 51mV

Saída no pino 7 com carga aplicada: 51mV

 

Tem algo errado...

 

 

ENSAIO 2:

----------

Erro de montagem, tinha ligado o RV2 e R12 nos pinos errados. Segue novo teste:

 

Circuito do voltímetro/amperímetro alimentado com 12V

Circuito do LM324 alimentado com 3,3V da própria placa do voltímetro

Carga ligada na linha do +12V

Carga: lâmpada de 20W

Corrente da carga: 1,65A

RV2 ajustado para 38Kohms

 

Queda de tensão no SHUNT: 7,4mV, aplicados nas entradas do LM324 (pinos 3 e 10)

 

Saída no pino 7 sem carga aplicada: 51mV

Saída no pino 7 com carga aplicada: 50,5mV

 

Ainda tem algo errado.

 

 

ENSAIO 3:

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Revisei a montagem e está correta. Medi os resistores, estão dentro da tolerância. Testei o RV2, está ok.

Troquei o LM324.

 

Circuito do voltímetro/amperímetro alimentado com 12V

Circuito do LM324 alimentado com 3,3V da própria placa do voltímetro

Carga ligada na linha do +12V

Carga: lâmpada de 20W

Corrente da carga: 1,65A

RV2 ajustado para 38Kohms

 

Queda de tensão no SHUNT: 7,3mV, aplicados nas entradas do LM324 (pinos 3 e 10)

 

Saída no pino 7 sem carga aplicada: 70mV

Saída no pino 7 com carga aplicada: 70mV

 

Agora eu mando esses resultados pois não tenho ideia do que está acontecendo...

Editado: 27 de Maio de 2024 por Bruno Faria

[Bruno Faria]

No artigo do 

Você não tem permissão para ver links. Faça login ou cadastre-se.

 diz que a fonte deve ser simétrica... eu não estou usando simétrica, está alimentado com 3,3V apenas. Seria isso?

[Hevandyr]

20 horas atrás, Jack O'Neo disse:

@Hevandyr Inclusive eles criaram uma variação do circuito proposto que, muito provavelmente, interferirá ainda menos durante a leitura da tensão sobre o shunt, previram até remoção de ruído comum nos cabos, utilizando o último op-amp do involucro (fiquei com vontade de montar um mesmo sem ter onde usar haeuhaehueauhae), duro é o preço do dito cujo no Brasil chega a ser 20x mais caro, mas a ideia de usar os 2n2222 como diodos neste circuito me encanta, trecho do datasheet abaixo:

Se você tiver um INA121 acho que vale a pena tentar. No Brasil fica muito caro comprar chips de precisão.

Editado: 27 de Maio de 2024 por Hevandyr
Complementar informação

[Jack O'Neo]

@Bruno Faria tente inverter o shunt+ e o shunt- só pra garantir, no exemplo extraído do datasheet ele está invertido. 
 

[Bruno Faria]

3 horas atrás, Jack O'Neo disse:

@Bruno Faria tente inverter o shunt+ e o shunt- só pra garantir, no exemplo extraído do datasheet ele está invertido. 
 

 

Mesmo resultado, com ou sem a carga a saída apresenta a mesma tensão ~70mV.

 

Segue a medição de tensão (ao GND) de todos os pinos utilizados, com a carga conectada:

 

Pino 1: 2,043V

Pino 2: 2,048V

Pino 3: 12,05V

Pino 4: 3,308V

Pino 5: 1,991V

Pino 6: 2,042V

Pino 7: 0,073V

Pino 8: 2,062V

Pino 9: 2,054V

Pino 10: 12,06V

Pino 11: 0V

 

 

Segue a medição de tensão (ao GND) de todos os pinos utilizados, sem a carga conectada:

 

Pino 1: 2,043V

Pino 2: 2,048V

Pino 3: 12,29V

Pino 4: 3,308V

Pino 5: 1,991V

Pino 6: 2,042V

Pino 7: 0,073V

Pino 8: 2,062V

Pino 9: 2,054V

Pino 10: 12,29V

Pino 11: 0V

 

 

[Bruno Faria]

Colegas, continuo tentando estudar uma solução para continuar desenvolvendo o painel e até agora todas as referências que achei sobre o assunto utilizam o GND como referência aos OPAMP...

 

 

Mas deve ter uma forma de contornar isso... talvez gerando um GND secundário?

 

Pensei também em realizar o painel de alguma outra forma, mas a fonte ATX é prática pois já possui todas as tensões para ligar uma placa mãe, ligam e desligam no mesmo momento e as correntes são as que uma placa precisam.

 

Eu desejo ter a medição de corrente nas linhas 3,3V 5V e 12V para facilitar a identificação de problemas, além de me dar a opção de usar uma ou mais tensões específicas sozinhas e já ter o amperímetro ligado.

 

Até mesmo com Arduino os projetos que encontrei de amperímetro são referenciados e conectados ao GND.