9. Методи побудови калібраторів постійного струму і напруги постійного струму

9.1. Принципи побудови калібраторів

9.2. Калібратори на базі магнітних компараторів постійного струму

9.3. Калібратори на базі індуктивних подільників напруги

9.4. Калібратори на основі подільників з ШІМ-перетворенням

9.5. Розширення границь відтворення напруги постійного струму

9.6. Розширення границь відтворення постійного струму

9.7. Структури серійних калібраторів напруги постійного струму та постійного струму

9.8. Характеристики серійних калібраторів постійної напруги і струму

9.1. Принципи побудови калібраторів

Калібратори напруги постійного струму (КПН) або калібратори постійного струму (КПС) будуються за структурними схемами, приведених на рис. 9.1 і на рис. 9.2.

КПН - кодокерований подільник напруги; БМН – блок масштабування напруги

Рис. 9.1. Структурна схема калібратори напруги постійного струму

ПНС - перетворювач напруга-струм

Рис. 9.2. Структурна схема калібратора постійного струму КПС

З аналізу структурних схем КПН і КПС видно, що принципово вони відрізняються тільки вихідними масштабними блоками: БМН і ПНС відповідно. Оскільки, на даний час БМН або ПНС, як правило, реалізується на базі підсилювачів з різного виду зворотними зв’язками, а БК - це перетворювач зовнішнього коду керування у внутрішній код керування КПН і реалізований на цифрових мікросхемах традиційними методами, то, звичайно ж, основну увагу слід звернути на вибір ДОН і КПН. Як ДОН можна вибрати або нормальний елемент, або твердотільне джерело, яке, як правило, реалізується на стабілітронах з нормованим температурним і часовим дрейфом. За досягнутими метрологічними характеристиками вони стоять на одному рівні з НЕ, але з точки зору надійності, безпечності, експлуатаційних переваг і ціни вигідно відрізняються від НЕ. Питання реалізації КПН є центральним в побудові калібраторів напруги і струму.

9.2. Калібратори на базі магнітних компараторів постійного струму

Основою магнітного компаратора постійного струму МКПС є магнітне осердя, на якому намотані регулівна обмотка з кількістю витків W₁ і обмотка W₂ з постійним числом витків [74-76, 81] (рис.9.3).

ПДПС - прецизійне джерело постійного струму; ДБАВ - детектор балансу ампер-витків; КДС - кероване джерело струму; R_N - взірцевий резистор

Рис. 9.3. Структурна схема КПН і КПС на базі магнітних компараторів постійного струму

З допомогою ДБАВ і КДС автоматично підтримується рівність ампер-витків МКПС при любій зміні числа витків W₁

I₀W₁=I_кW₂, (9.1.)

де І₀ –струм ПДПС; І_к – вихідний струм КДС.

В реальному МКПС завжди є зміщення DА від магнітних шумів і дрейфу. Тому, струм І_к буде рівний

І_к=І_с W₁/W₂+D_А, (9.2.)

де D_А=DA/W₂ – еквівалентна похибка струму від магнітних шумів і дрейфу МКПС.

При відтворенні малих струмів в МКПС похибка від зміщення DА стає визначальною. Калібровані напруги постійного струму можна отримати, як спад напруги з резистора R_N

U_к=E₀R_N/R₀×W₁/W₂, (9.3.)

де Е₀ – вихідна напруга ДОН в ПДПС; R₀ – опір резистора, що задає порядок значення струму І₀ ПДПС.

Відношення R_N/R₀ калібрується при настроюванні КПН і загальна похибка такого калібратора визначається практично тільки похибкою ДОН [81].

Розширити межі відтворення в сторону малих значень постійного струму вдається з допомогою КПН і МКПС (рис. 9.4) [82]. При відтворенні малих

ДП – диференціальний підсилювач; РДС – регульоване джерело струму; R_01, R₀₂ –взірцеві масштабні резистори.

Рис. 9.4. Структурна схема КПН і КПС на базі магнітних компараторів постійного струму з розширеними межами відтворення постійного струму

постійних струмів працює схема активного масштабного подільника струму - ДП і РДС. МКПС працює при номінальному рівні ампер-витків (похибкою від DА можна знехтувати). На резисторі R₀₁ створюється спад напруги, значення якого вибирається з умови нехтування еквівалентної напруги зміщення ДП. Цей спад напруги автоматично зрівнюється із спадом напруги на резисторі R₀₂. Навантаження включається в послідовне коло активного масштабного подільника струму. Як показано в [83], дискретність відтворювання напруги таким КПН може бути дуже малою (меншою від одиниць нановольт), а КПС може відтворювати струми до 10^-12 ¸10^-14 А, якщо ДП матиме малі струми витоку (використовується електрометричний підсилювач).

КПН і КПС на базі МКПС на сьогоднішній день є одними із найточніших засобів метрологічного забезпечення, на їх основі неважко створити автоматизовані калібратори, оскільки електронні ключі знаходяться у високоомних колах джерел постійного струму в перемикатимуть тільки число витків.