Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напряжения, необходимые для дальнейшего преобразования. В зависимости от амплитудного и частотного диапазонов измеряемого напряжения входное устройство представляет собой либо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный делитель, либо резистивно-конденсаторный делитель.

Преобразователи амплитудного значения. В таких преобразователях показания α микроамперметра пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения u(t), т. е. α = kUmax. На рис. 6.5, а, б приводятся схемы преобразователей амплитудного значения соответственно с открытым и закрытым входами.

В преобразователе амплитудного значения с открытым входом диод VD включен последовательно с высокоомным резистором R и непосредственно связан с объектом измерения. При первой положительной полуволне измеряемого напряжения u(t) = U_max sin ωt большим импульсом тока i_д через открытый диод VD с сопротивлением R_np осуществлялся быстрый заряд конденсатора С до некоторого значения напряжения U_cl (рис. 6.6) и медленный разряд на резистор R+R_и с момента, когда u(t)< U_cl и при отрицательной полуволне напряжения u(t). Постоянные времени заряда R_пpC и разряда RC связаны условием RC>> R_пpC (сопротивление R_и микроамперметра не учитывается из-за малого значения).

Рис. 6.5. Схемы преобразователей амплитудного значения с открытым (а) и закрытым (б) входами

Рис. 6.6. Временные диаграммы напряжения, поясняющие работу амплитудного преобразователя с открытым входом

При второй положительной полуволне u(t) = U_max sin ωt конденсатор С вновь подзарядится до напряжения U_c2>U_c1. При значении постоянной времени разряда, много большем периода Т измеряемого напряжения, примерно через (3—4)Т конденсатор зарядится до амплитудного значения измеряемого напряжения U_max, т.е. U_c≈U_max, Показания магнитоэлектрического микроамперметра определяются средним разрядным током I_ср = I_и=U_c/R = U_max/R, пропорциональным амплитудному значению измеряемого напряжения.

Если измеряемое напряжение u(t), подаваемое на вход преобразователя амплитудного значения с открытым входом, содержит кроме переменной еще и постоянную составляющую, т.е. u(t) = U₀+U_max sin ωt, то показания микроамперметра будут пропорциональны сумме U₀+U_max.

Рис. 6.7. Временные диаграммы, поясняющие работу амплитудного преобразователя с закрытым входом

Большое практическое применение имеет преобразователь амплитудного значения с закрытым входом (см. рис. 6.5, б),-в котором диод VD включен параллельно высокоомному резистору R (такая схема используется в универсальных аналоговых электронных вольтметрах). При положительной полуволне измеряемого напряжения и (t) = U_max sin ωt конденсатор С заряжается через диод VD сопротивлением Rnp приблизительно до амплитудного значения U_max, а при отрицательной полуволне измеряемого напряжения диод VD будет заперт, поэтому заряженный конденсатор разряжается на резистор R, но так как постоянная времени разряда RC конденсатора велика по сравнению с периодом Т измеряемого напряжения, то конденсатор С не успевает разрядиться за период и напряжение на нем остается примерно равным U_max

К резистору R приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе Uc=U_max, т.е. u_R(t)=u(t)—Uc = U_max sin ωt —U_max.

Напряжение uR(t) на резисторе R повторяет форму измеряемого напряжения u(t), но смещено на амплитудное значение (рис. 6.7), т.е. пульсирует от 0 до —2U_max. Микроамперметр, включенный в цепь резистора R, реагирует на среднее значение тока в цепи I_ср = I_и = U_max/R. Так как напряжение uR(t) пульсирует от 0 до —2 U_max, то, чтобы уменьшить пульсации тока через прибор, в реальных схемах аналоговых электронных вольтметров напряжение u_R(t) подается на вход усилителя постоянного тока через сглаживающий фильтр низкой частоты, а микроамперметр включается на выходе УПТ (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Реальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом

Рис. 6.9. Схема преобразователя средневыпрямленного значения

Если измеряемое напряжение u(t), поданное на преобразователь амплитудного значения с закрытым входом, содержит кроме переменной еще и постоянную составляющую, т.е. u(t) = U₀+U_max sin ωt, то при действии напряжения u(t) конденсатор зарядится до значения Uc = U_max+U_o и напряжение на резисторе R будет

Постоянные составляющие измеряемого напряжения и напряжения на конденсаторе С друг друга взаимно компенсируют на резисторе R. Таким образом, микроамперметр в преобразователе амплитудного значения с закрытым входом реагирует только на переменную составляющую напряжения u(t).

Преобразователи средневыпрямленного значения. В преобразователях средневыпрямленного значения (рис. 6.9) показания а микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению U_ср.в измеряемого напряжения u(t), т.е. α=kU_ср.в. Преобразователи выполняют на полупроводниковых диодах, работающих в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления. Работа диодов осуществляется на линейном участке вольт-амперной характеристики.

Наиболее распространенные схемы — мостовые (см. § 5.3). Они работают следующим образом. Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения (в положительный полупериод по цепи VD2—R—VD3, а в отрицательный полупериод — по цепи VD4—R—VD1). При использовании линейного участка характеристики диода и при открытом входе показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения

U_{ср в} = (1/Т) ׀u(t)׀ dt.

Если же вход преобразователя закрытый, то показания микроамперметра пропорциональны только средневыпрямленному значению переменной составляющей измеряемого напряжения.

Рис. 6.10. Схема квадратического преобразователя (а) и диаграмма напряжения (б)

Преобразователи среднеквадратического значения. В преобразователях среднеквадратического значения,(рис. 6.10, а) показания а микроамперметра пропорциональны квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения u(t), т.е. α = kU². Преобразователи выполняются на элементах с квадратичной вольт-амперной характеристикой, при этом ток через микроамперметр пропорционален квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения, поданного на вход преобразователя, т.е. i_и=βu²(t). При

u(t) = U_max sin ωt ток

i_и(t) = βU²_max sin² ωt = βU²_max [(1 - cos 2ωt)/2].

Так как выходной прибор представляет собой магнитоэлектрический микроамперметр, он будет реагировать на среднее значение тока I_и= βU²_max/2 = βU².

Аналогичное доказательство можно выполнить для измеряемого напряжения u(t) любой формы:

где k — номер гармоники; U_{max k}, U_k — соответственно максимальное и среднеквадратическое значения измеряемого напряжения k-й гармоники.

Для увеличения протяженности квадратичного участка вольт-амперной характеристики используются преобразователи на диодных цепочках. Напряжение U создает на резисторах R4 и R5 соответственно напряжения смещения U₁ и U₂. Если входное напряжение u(t) не превышает значения U₁, то ток i=i₁ протекает через диод VD1, если U_l<u(t)<U₂, то — через диоды VD1 и VD2, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается (рис. 6.10,6). Ток, протекающий через прибор, i_и=i₁+i₂; если u(t)>U₂, то ток протекает через диоды VD1 — VD3 и тогда i_и=i₁+i₂+i₃ крутизна зависимости увеличивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно осуществить кусочно-линейную аппроксимацию вольт-амперной характеристики отдельных диодов и увеличить протяженность квадратичного участка преобразователя.

Преобразователи среднеквадратического значения, преимущественно применяемые в электронных вольтметрах, строятся на термоэлектрических элементах (рис. 6.11), в которых электрическая энергия преобразуется в тепловую и используется квадратичная зависимость термо-ЭДС от тока нагревателя, или, что то же, — от входного напряжения.

Рис. 6.11. Преобразователь среднеквадратического значения с термопреобразователями

Термопреобразователь состоит из нагреватели Н и термопары Т. В схеме используются два бесконтактных термопреобразователя ТП₁ и ТП₂, включенных встречно. Термопреобразователь ТП₁ включен между выходом усилителя напряжения переменного тока и входом УПТ. Мощность, подводимая к нагревателю ТП₁, равна P₁ = K₁U²_BX. ЭДС, развиваемая термопарой ТП₁, пропорциональна Р₁,т. е.

E_T1 = K₂P₁ = K₃U²_вx

После подачи измеряемого напряжения U_BX ЭДС Е_Т1 начинает нарастать и на выходе УПТ появляется напряжение, создающее ток в нагревателе ТП₂. ЭДС, развиваемая термопарой,

E_Т2 = K₄P₂ = К₀I²_вых,

где I_вых — выходной ток УПТ, протекающий по нагревателю ТП₂.

Нарастание I_вых продолжается до некоторого установившегося значения, соответствующего значению U_BX. Параметры схемы выбирают такими, что напряжение на входе УПТ определяем из E_T1-E_T2 = 0. Подставив в данное уравнение значения Е_Т1 и Е_T2, получим линейную зависимость постоянного тока I_вых, пропорционального входному напряжению I_вых=KU_вх. Шкала выходного микроамперметра будет равномерной. Частотный диапазон вольтметров от 20 Гц до 10 МГц.

Преобразователи среднеквадратического значения строятся также на полевых транзисторах.

Дата добавления: 2015-10-29