Ви, напевно, не раз бачили індикатор напруги в формі ручки. Його зручно носити в нагрудній кишені сорочки або спецівки. Деякі сучасні моделі таких індикаторів можуть виявити напругу навіть без металевого контакту з струмоведучих провідником. Цьому виду електрозахисних засобів і присвячена наша стаття.
Термінологія
У численних статтях, розміщених в Мережі, можна зустріти терміни "покажчик напруги", "покажчик низької напруги", "індикатор напруги". При цьому найчастіше ніякого розмежування між областями їх використання не наводиться, а іноді вони навіть ототожнюються. Спробуємо розібратися в цьому питанні.
Численні правила застосування електрозахисних засобів, які постійно змінюються і перевидаються, завжди оперують терміном "покажчик напруги". При цьому всі подібні прилади поділяються на двополюсні, що складаються з двох корпусів, з`єднаних гнучким ізольованим проводніком- і однополюсні, що містять один корпус. Перші працюють на активному струмі, що протікає через обидва корпуси, а другі - на ємнісному, що протікає через тіло користувача.
Широко використовується в побуті термін «індикатор напруги» відноситься саме до другого типу покажчиків. Їх ранні моделі випускалися у вигляді викрутки з індикатором-лампочкою в рукоятці. Сучасні пристрої більше схожі на будівельний маркер (правда, з металевою контактної частиною на кінці).
Кілька слів про оточуючих нас ємностях
Як працює ємнісний індикатор напруги? Щоб зрозуміти це, давайте повернемося на мить до електричної теорії ланцюгів і згадаємо, як функціонує конденсатор. Він має два провідника, або пластини, розділені діелектриком. Багато хто думає, що конденсатори - це окремі елементи електронних схем, але в дійсності світ заповнений конденсаторами, присутності яких ми зазвичай просто не помічаємо. Ось приклад. Припустимо, що ви стоїте на килимі, що покриває бетонну підлогу прямо під палаючим світильником з напругою 220 В. Хоча ви цього і не відчуваєте, але ваше тіло проводить дуже невеликий (близько мікроампера) змінний струм, так як воно є частиною ланцюга, що складається з двох послідовно включених конденсаторів. Двома пластинами першого конденсатора є нитка розжарення в електролампочки і ваше тіло. Діелектриком - повітря (і, можливо, ваша капелюх) між ними. Пластинами другого конденсатора є ваше тіло і бетонну підлогу (він досить хороший провідник).
Діелектрик другого конденсатора - це килим плюс ваші черевики і шкарпетки. Оскільки бетонну підлогу добре заземлений, як і нульовий провід мережі живлення, до ланцюга з двох цих послідовних конденсаторів докладено напруга в 220 В.
А де ж тут індикатор напруги?
Розуміння того, як напруга мережі ділиться між двома послідовними конденсаторами, має вирішальне значення для з`ясування, як працює ємнісний індикатор.
Повернемося до теорії електричних ланцюгів. В послідовного ланцюга напруга буде розподілятися по величині опору (закон Ома). У конденсатора, чим менше його ємність, тим більше так зване ємнісний опір змінному струмі. Таким чином, коли два конденсатора з`єднані послідовно, найбільша частка доданої до них напруги буде падати на меншому приладі.
У наведеному вище прикладі тільки кілька вольт знаходиться між ногами і підлогою (на великої місткості), а інша частина з 220 В прикладена між вашою головою і ниткою розжарення лампочки (до меншої ємності). Тепер, якщо ви тримаєте великий палець на контактній площадці на торці рукоятки ємнісного індикатора і торкаєтеся їм до оголеного ділянки дроту, що живить світильник, то замість малої місткості в ланцюг проходження ємнісного струму виявляється включеною чутлива до малих струмів схема індикатора напруги. Струм цей, звичайно, зростає, але високоомний резистор всередині індикатора обмежує його до безпечної величини. В результаті протікання струму в індикаторі світиться неонова лампа або світлодіод або звучить зумер.
Традиційний ємнісний індикатор
Індикатори напруги мережі у вигляді викрутки, що показують, на який контактний стрижень електророзетки виведена фаза, а на який - нуль, з`явилися ще в 60-х роках минулого століття. Їх схема живлення включає послідовно з`єднані металеве щуп-жало, високоомний резистор в діапазоні опорів від 0,47 до 1 МОм з малою власною ємністю між його висновками (наприклад, типу МЛТ-1,0, ВС-0,5, МЛТ-2,0 ), неонову лампочку і контактну площадку на торці рукоятки. При торканні жалом викрутки "фазного" провідника і замиканні ланцюга ємнісного струму через контактний майданчик і тіло користувача неонова лампочка світиться, що є ознакою напруги в робочому діапазоні індикатора від 90 до 380 В (іноді - від 70 до 1000 В) при частоті струму 50 Гц .
Чому саме неонова лампочка?
Чи можна її замінити на інший індикатор? Довгий час вважалося, що немає. Дійсно, при ємності людського тіла порядку сотень пФ і напрузі U = 220 В максимальний ємнісний струм частотою f = 50 Гц через нього на "землю" становить U / (1 / omega-C) = U2pi-fC = 220 х 6,28 х 50 х n100 пФ = n7 мкА. А щоб засвітився світлодіод, через нього повинен пройти струм порядку міліампера. Проте, були знайдені особливі схемні рішення, що дозволили створити індикатор напруги на світлодіодах, пьезокерамических зумер і інших елементах індикації.
Від неонової лампочки до светодиоду
Рішення полягало в зміні самого режиму світіння з безперервного на імпульсний. Якщо спробувати оцінити потужність, споживану неоновою лампою, то при напрузі 100 В і ємнісного струму 20 мкА вона складе 100 х 20 мкА = 2 мВт. Якщо підводити таку потужність до светодиоду протягом інтервалу часу, наприклад, 10 мс, а не цілу секунду, то він на цьому інтервалі цілком добре засвітиться. Адже при напрузі 100 В струм через нього складе 0,002 Вт х 100/100 В = 0,002 А = 2 мА.
Якщо забезпечити накопичення енергії в деякій схемі (наприклад, в релаксационном генераторі) протягом часток секунди, а потім - різкий її скидання на світлодіод за 10 мс, то останній буде періодично яскраво спалахувати. Вийде світлодіодний індикатор напруги без вбудованої батарейки.
Яким шляхом пішли в Китаї?
Китайські розробники вирішили, що раз светодиоду для безперервного світіння потрібно постійний струм порядку декількох міліампер, то потрібно вмонтувати в індикатор пальчиковую батарейку (Або дві). При цьому струм через світлодіод відкриває найпростіший транзисторний ключ, керований ємнісним струмом через тіло користувача.
Спростилася схема? В общем-то, так, але вона стала надзвичайно чутливою до різного роду наведенням. Тому надійність свідчень таких індикаторів під питанням.
Індикатор напруги цифровий
Світіння неонової лампочки або світлодіоди, звичайно, надійний спосіб індикації наявності напруги, але аж надто малоінформативне, якщо ланцюг має кілька рівнів напруги. У цьому випадку на допомогу приходить бурхливо розвинулася в останні десятиліття вимірювальна електроніка.
Найпростішим способом додати індикатору велику інформативність є введення в його схему декількох компараторів напруги, які спрацьовують при різних його рівнях. Вихід кожного з компараторів управляє своїм елементом індикації на корпусі приладу.
Справжній же індикатор напруги цифровий виходить, якщо вимірювана напруга оцифровується на вбудованому АЦП, а потім через спеціальну схему подається на семисегментні елементи індикації, здатні відобразити цифри від 0 до 9, або на малогабаритний матричний цифровий індикатор. За такою схемою будуються дорогі професійні індикатори напруги.
