万用表输入保护电路图解（转）

dirtyacc

这个博客有大量万用表评测，虽然全是文字和图片，但挺专业的，唯一缺陷就是文字加图片看不出表的“快慢”

https://lygte-info.dk/info/DMMDesignProtection%20UK.html
今天试着转一下他介绍万用表保护电路。方便维修和判断表的安全性（虽然往往料多的一般更安全就对了）

目录：
1. 电压保护（1楼）
2. mV，温度，HZ等档位保护（2楼）
3. 电阻电容档保护（3楼）
4. 电流保护（4楼）
5. CAT Rating（4楼末，国产表基本都是乱标的，仅供参考）

1. 电压保护

电压档的保护主要是档输入电压高于选定的量程时的保护。对自动挡万用表来说，这几乎发生在每次一电压测量时。还有AC DC保护和分压电阻的最大电压是否大于允许值，还有静电之类的瞬时高压等情况。

我们先来说输入电压，再说保护。对于一款标称量程1000V AC/DC的万用表，它的输入电压是否最大就是1000V？对测量来说，是，但“最大值”就不一定了，正弦交流AC的峰值约1.41倍有效值，这也是为什么很多表时1000V DC/ 650~750AC标称量程的原因，这样交直流的峰值接近。输入电阻耐压1000V即可，如果要支持1000VAC，就相当于电阻的工作电压要能承受1500V以上，供应会少一点和贵不少。



上图的全是10M分压电阻，后面几个是用多个串联得到10M，价格和性能会不一样（精度和温漂，时间稳定性），多个串联是因为单个电阻耐压不足不得不分开，所有电压档都会经过这个10M电阻，这也多数手持万用表输入阻抗是10M欧的原因。

经过分压电阻后到了芯片的输入引脚，但如果我们选错了档位，用低压的档位测量超过量程的电压呢？很简单，多数芯片内部有引脚输入保护，一般几mA的输入不会损坏芯片，1500V的输入电压，经过10M欧电阻后电流最大峰值电流小于0.15mA，这时正常的标称量程输入电压都不会损坏到芯片，而分压电阻的额定功率是1000V*0.15mA约0.15W，这是比较容易实现的。

所以，万用表在交直流电压档基本不需要额外的保护就能安全测量所有量程，只要10M欧电阻能应付标称的电压。

于是，对电压档只需要设计保护浪涌、静电等带来的瞬时高压。CAT III 1000V要求能应对8000V的瞬时高压，10M电阻也就0.8mA电流，芯片和上面提到的电阻都不会有问题，但对具体各档的电阻就不一样了，而且因为瞬时的尖峰电压还可能会让自动挡表跳量程，这是要处理的。（这段翻译不自信，主要不确定chain of resistors意思，留下原文）

In the real world there is also transients, a meter rated CAT III 1000V must be able to handle 8000V for a short time, this is only 0.8mA with the above resistor and the multimeter chip will not have problems with it, but the chain of resistors may not be able to handle the voltage. There may also be an issue with the range switch and 8000V, sparks jumping around in the range switch is not a good idea.


万用表一般用上图电路去把输入电压限制在一点范围内。PTC和1k电阻的具体阻值不同表会有一点区别（有些表用的是两个PTC串联，没有那个1K电阻，也有廉价表直接省略了那个1k电阻）。还有两个压敏电阻会把最大输入电压钳制在1500V（压敏电阻值也是不同表规格不一样），当有高压脉冲输入时，PTC阻值增大限流，有部分表用的是高压放电管代替压敏电阻。这样只要内部的10M电阻加上各量程分压电阻能对付2000V左右，仪表的电压档就会是安全的。在一些万用表的10M电阻没有上面的保护电路，当用的电阻足够好时，也确实不一定要这些保护。

This mean the internal design (10Mohm resistor and range switch) must be able to handle about 2000V, then the meter is safe. On some meters the 10Mohm input resistor is not protected by this circuit and with a good resistor it do not need to be.
上面红色这句我也不是很确定，看着是这么个意思的，因为国内的低价表多数只有一个PTC。

实例图片见后面电阻档图片。

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2. mV/频率/温度

mV 频率 温度等测量，不同的表有不同的输入配置，有些使用同电压档相同的电路，但多数的表都会切换到比电压档低一点的输入阻抗，大约900k，也有一些是其它值。

（译注，0660的一个优点就是mV档输入阻抗非常大，约100G欧级别，实测ZT-255 250M欧超量程，远高于大部分手持万用表，比如UT61E+也是mV档和电压档都是10M欧多一点，当电压超过mV档量程一定值后输入阻抗会降低，就是下面提到的三极管保护电路的作用，这个博客会有详细评测，如Fluke 289的：

• Input impedance is 10..11Mohm on DC. AC and mVAC is a capacitor (Impedance is around 10Mohm).
• mV DC range is 10Mohm impedance up to around 2.6 volt where it slowly drops to 2kOhm
  

输入阻抗越大，越接近理想电压表模型
）

正常的mV档的低电压当然不会有问题，但意外输入市电或者更高的电压时，900k输入阻抗意味着什么？ 当输入标称保护电压1000V时，简单计算可得线路电流约1.1mA，芯片能应付，输入电阻就要注意了，I^2R 大约有1.1W功率，不是非常大的数字，这时就不像电压档那么时那么微不足道了，对电阻的耐压值和额定功率提出一定要求。


上面是两个900k mV档输入分压电阻实例，通过多个电阻串联分担瞬时的大功率。不一定在每个表都能找到这种设计，也不是好的方案，优质万用表厂家往往用的是其它方案。



上图不是两个三极管耦合电路，而是用两个三极管串联相当于一个齐纳稳压二极管使用电路。



上面是单个三极管（BC547）的伏安曲线，它用作稳压二极管时，稳压电压约9.6V。这个稳压值同三极管的具体型号有关的。万用表里使用的是稳压值会低很多。钳压约2.5V~3V。



单个稳压是单方向的，基极和集电极串联后可以看做双端稳压，上图就是一个串联三极管的伏安曲线


放大上图可以看到用三极管串联的漏电流比常规的齐纳二极管低得多。

回到电路图，在输入到900k电阻前并联三极管稳压电路，这样后级电路就实际电压钳制在10V以内，即使后级阻抗远小于900K，电阻和芯片也不会有问题了。至于这两个三极管，1000V输入时大约会有0.5A的电流，随着PTC温度升高电流会迅速降低，所以它们只要扛住到PTC阻值迅速增加前就行了，许多三极管允许短时电流大于0.5A。对于1W的PTC，稳定电流不会大于30mA，8000V 瞬时高压工况会更恶劣一点，峰值电流会超过4A。

   
你可以很容易在PCB上认出这些稳压用的三极管，他们都是一对一起的，上面几个图就是一些典型实例。



上面讨论了电压输入保护，廉价表通常不是那样的做的，它们更多的是像上图那样，PTC和钳压三极管有，但900k电阻不受其保护，我认为可能是这样换挡逻辑会简单点，因为这样可以同电阻电容档复用了。（后面这句翻译也不敢确定，留下原句）
It is something like the above, the PTC and clamp is still connected, but the 900kOhm resistor may not be protected by it. I believe this configuration is to make the range switch as simple as possible, because it matches Ohm/Continuity/Diode/Capacity.


上面是900k 或 910k的mV档分压电阻。有个图还放了尺子，刻度是mm，可以看到这些小电阻的耐压值是不可能达到很高的，250VAC可能能顶住一阵子，再高的线路电压或者浪涌就死翘翘了。这种0603电阻典型耐压值是150V。可以在很多廉价表上看到这种配置。

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3. 电阻/通断/二极管/电容
这些量程同之前两节的档位区别是，它们都是要输出一定的电流通过待测元件的，这个电流不能太小，比如电阻就要能比较准确地采集两端压降，二极管LED要达到导通电流等，大约要几百uA至1~2mA。同时要抵御可能因为操作失误或者电路故障从表笔带进来的电压，一般都希望要能扛住市电电压。好的万用表电阻档的保护量程能达到1000V。



这时电路需要两颗PTC做保护。一颗是保护电流输出线路的，一颗是保护电压测量线路。只要输出电压足够，PTC的阻值精度不会影响测量的准确性。

（译注：应该是这样的，因为我对PTC特性不是很理解，附上原文。this way any loss in the PTC will not affect precision (as long as the circuit can supply enough voltage).）



往往还会见到压敏电阻并在测量和电流输出线两端。有什么用呢？这可能是防止在切换量程是浪涌电压（CATIII 8000V），加上压敏电阻后钳压低于2000V。量程不是切换状态时，这些压敏电阻是没有用的，钳压靠的是上面提到的两两三极管稳压电路。







上面几幅照片就是一些实例。其中一个把1k 功率电阻换成了2个PTC。另外有两个表有低阻模式LowZ，分别用的是一个和两个PTC。还有一个表的压敏电阻换成了气体放电管（那两个红色的玻封管子）。
注：PTC多是那些热缩管包起来的。



在廉价万用表上会看到上面这种差得多的保护。PTC只在电流输出端有，也没有1K的功率电阻串联，900K电阻则是没有PTC保护的，参见上面mV/频率/温度档。PTC阻值一般是约0.5k~1.5k。

  
这几个图就看到PTC和三极管稳压电路布置在一起。

上面描述了比较好的保护和不理想的保护，大部分万用表都是使用这两种电路或者介乎两者之间做一些调整。

dirtyacc

4. 电流档
电流档主要保护是超载时采样电阻电路，还有用户误操作用电流档直接测量市电等加高电压情况。

测量电流时，保险丝可以起到一定保护仪表的作用，但有局限。

我们先来看看uA档，采样电阻一般是100欧，和mA档共用一个保险丝。假设用的是200mA保险，那采样电阻上的功率会有4w，有些表的mA保险丝还是0.6A的，那就更厉害了（36W），而实际保险的熔断电流会比标称的高，熔断速度也不是很快（详具体保险丝的参数）。


一个办法是用二极管组成各种保护电路。比如上面5个二极管组成的情况，相当于两线间各并联3个二极管，这样两线间的导通电压不会高于3个二极管的导通压降，这就把后面测试电路钳位在比较低的电压。通常mA和uA档会共用一组二极管钳压，也有万用表是分开设置的。
优良的仪表设计中，二极管的过载保护特性必须匹配取样电阻和保险丝的特性以确保保险会在二极管和电阻烧毁前熔断，否则瞬间二极管和采样电阻电流能达到1000A以上。



5个便宜的1N4007 二极管组成的钳压电路伏安特性曲线。能把采样电阻间输入电压钳位在几伏以内。


二极管组成的保护在电流很小的时候有缺点，就是二极管导通前存在微小的漏电流，放大上面伏安曲线可以看到导通前电流缓慢增加的。这取决于采样电阻的负载压降（一个600字计数的万用表，通常会设计成0.6V满量程采样电阻负载压降）。而漏电流和采样电阻的负载压降都是稳定相关的，换句话说，气温很高时，uA档的误差会增大不少。


并没有规定一定要用5个二极管组成这样的钳位电路，可以是6个。4个二极管前提是表的采样电阻压降也比较低（要么是ADC更优秀较低压差下实现同样分辨率，要么就是精度低一点，比如2000字的；译注，UT61E和UT61E+采样电阻就比多数万用表大，压降大一般来说是缺点）。甚至有些表用的是两个二极管的，这种表的采样电阻压降就更低了。




上面是一些表的二极管保护电路。有一个是中间的二极管特别大，电路还是一样的。有一个用了一个二极管+整流桥，还是5个二极管。


另一个办法是用TVS二极管。多用在一些廉价表上面。原理类似两个二极管的版本。不过保护会更弱一点，超载反应时间也可能会更慢一些。


两个用TVS二极管的实例↑。


万用表使用的保险丝有很多不同的大小规格。其中有一些其实不合适的，也许它们能保护较低的电流超载或者不高的输入电压，但对于像误操作表笔插在电流孔量220V之类情况对保险丝有更高的要求。这类保险丝都是能快速分断的。
原则上来说，保险丝的分断电压规格必须高于标称的保护电压，这需要所谓的HRC陶瓷保险丝。这一点对输电和工业用电环境至关重要，普通市电保险丝级别不足就不是太危险。（译注：原文如此）


上面这几个保险丝个头太小了（10mm 或 20mm长），电压较高的场合是不足以保护操作者和仪表安全的，但一般来说足够应付业余diy或者市电的场景。


上面两颗是高品质的万用表用保险丝，有38mm长，能可靠分断高至1000V电压的超载电流，不过这种通常比较贵，廉价表都不爱用它们。



还有一些万用表，用的PTC在mA档代替保险丝，请仅限于使用在低压的场景。PTC的好处是超载停止后，能自动恢复，缺点是常温下的阻值也要比常规保险丝要高不少，这意味着有更大的采样电压压降。

保险丝熔断后，电路应能保证高压不会有其他爬电击穿的情况。CAT 级别要求熔断后起码2倍的标定电压下是可以分断的，主要是元件距离和表笔、仪表的绝缘之类要能保证安全。


有些表会检测是否插在了电流孔，有发光二极管+接收对管，有些是机械式的，有些则是通过电路检测实现的：

发光二极管+对管



机械式检测






CAT ratings
CAT等级不同地区具体分级有些微差别，大致为:

第一个电压 是正常的保护输入电压。第二个Transient Voltage是浪涌电压，后面一列是输入阻抗。CAT III 1000V和CAT IV 600V电压要求是一致的，所以有些表会两个也标上。除此以外还有一些其他要求，此处略。

争锋麦芒

赶紧插一楼

xxwwmm2017

占楼等更新

cylaoshu

谢谢楼主科普。

没良心的

留个脚印，以后更新了继续看

我是不会修

热敏电阻会对测量产生影响，但是常温下阻值的变化影响很小！

散淡

谢谢分享

gy9319

这个要收藏一下!

msz09861

好帖，值得一看。

aping365

楼主，继续吧，等着能。

wlhcq

写的很好，学习了。

dirtyacc

我是不会修 发表于 2023-4-9 07:09
热敏电阻会对测量产生影响，但是常温下阻值的变化影响很小！

嗯。我明白了。亏还写了一段输入阻抗的，也没想起对电压和电阻这些本质测电压的，ptc没影响

zoro

好好学习天天向上

我是不会修

以17B为例，人为用烙铁加热PTC，测量值明显偏高了很多，最高能高处10个字以上，当然，常温下，PTC不可能有这么大的变化，所以，对于普通手持表的精度影响可以忽略！

dang

收藏了，感谢楼主的资料分享。

krisp

好贴收藏，慢慢研究

123131a

收藏了，感谢楼主的资料分享。