4.7. Електронні прилади

Умовне позначення

Електронні прилади є конструктивним з'єднанням показую­чого приладу електромеханічної групи з більш або менш складною вимірювальною схемою, яка містить електронні лампи або кристалічні діоди і тріоди. Електронні прилади найчастіше виготовляються на базі магнітоелектричних механізмів, але застосовуються і механізми електростатичної системи. Електронні прилади дуже різноманітні і за призначенням і за схемами. Для з'ясування принципу роботи цих приладів розглянемо характерні схеми електронних вольтметрів.

Структурні схеми вольтметрів.

Розглянемо схему вольтметра постійного струму (рис. 4.17, а).

Вимірювальна напруга ІГх подається безпосередньо або через ПН — подільник напруги (вхідний пристрій) на вхід електронного підсилювача постійного струму ПС. На вихід підсилювача включе­ний магнітоелектричний прилад (вимірювальний механізм) ВМ зі шкалою проградуйованою у значеннях V .

Електронні вольтметри змінного струму виконують за схемами рис. 4.17, б, в. За схемою (рис. 4.17, б) вимірювана напруга U_х, безпосередньо або через подільник напруг ПН подається на вхід детектора ДР. Детектор є електронною схемою, яка перетворює змінну напругу у постійну, значення якої зв'язано зі значенням змінної напруги певною визначеною функціональною залежністю. Постійна напруга з виходу детектора подається на підсилювач ПС постійного струму з магнітоелектричним приладом на виході.

За схемою (рис. 4.17, в) вимірювана змінна напруга попередньо підсилюється підсилювачем змінного струму ПС, а потім через детектор ДР подається до вольтметра магнітоелектричної системи. Промисловість випускає універсальні електронні вольтметри, які дають змогу вимірювати і постійну і змінну напругу. Такі вольтметри мають структурну схему (рис. 4.17, б) з додаванням окремого входу для постійної напруги U_х, як показано пунктиром.

Схеми детекторів

В електронних вольтметрах найбільш часто застосовують схеми діодного детектора. Діодний детектор можна виконати за двома схемами з відкритим входом (рис. 4.18, а) і закритим (рис. 4.18, б).

подати змінну напругу U_х, то при додатному півперіоді цієї напруги конденсатор С буде заряджатися через діод V і деякий невеликий опірR, який дорівнює сумі прямого опору діода і опору джерела напруги U_х. Ці два опори на схемі замінені одним еквівалентним зконцентрованим опоромR.

Конденсатор С, має властивість "запам'ятовування", він заряд­жається через діод до амплітудного (максимального) значення змінної напруги. Повнота заряду конденсатора С за додатній півперіод залежить від сталої часу всього кола. Стала часу кола конденсатора під час заряду τ₁ = RС.

На протязі першої додатної півхвилі вхідної напруги Uх струм Iз заряджає конденсатор до напруги U_C (рис. 4.18, в). За від'ємний півперіод діод закривається, а конденсатор С розряджається через опір R_н і вимірювальний механізм ВМ. Швидкість і ступінь розряду конденсатора визначається сталою часу τ₂ = Rн · С. Опір наван­таження детектора R_н складає 50—100 МОм. Тому стала часу τ₂ = R_н · С буде велика порівняно з періодом Т = 2n/ω вимірюваль­ної напруги U_х і напруга конденсатора U_с (рис. 4.18, в) зменшиться незначно. При наступній додатній півхвилі напруги U_х конденса­тор під заряджається до напруги U_с = U_х. Таким чином, у ті інтервали часу, коли миттєве значення напруги ІІх перевищує напругу на конденсаторі U_с, діод відкривається і відбувається підзарядка конденсатора С зарядним струмом І_з (рис. 4.18, в).

Тобто у додатній період конденсатор буде заряджатися, а у від'ємний розряджатися частково. Через декілька періодів встановиться стан динамічної рівноваги, при якому на затискачах конденсатора буде існувати пульсуюча постійна напруга. Середнє значення цієї постійної напруги буде різним залежно від співвідно­шення сталих часу τ₁ і τ₂. Якщо опір Rі стала часу τ₁ малі, а опір R_n, і, відповідно, стала часу τ₂ великі, то конденсатор швидко заряджається за додатній період і напруга на його затискачах буде досягати майже амплітудного значення змінної напруги II _х (рис. 4.18, в). Під час від'ємного півперіоду, через велике значення R_н, конденсатор втратить тільки дуже незначну частину свого заряду. У цьому випадку напруга Uбуде дуже малопульсуючою і майже рівною амплітуді змінної напруги U_х. Детектор з такими властивостями називають амплітудним детектором.

Залежно від співвідношення сталих часу τ_] і τ₂ середнє зна­чення напруги на виході детектора може бути рівним амплітуд­ному, середньому або деякому проміжному значенню (наприклад діючому значенню U= U_m/√2 для синусоїдальних струмів) змінної напруги на вході детектора. Якщо вимірювана напруга U_x=U₀+U_mx· sinωt, тобто містить (постійну) сталу складову U₀, то конденсатор заряджається до напруги U_с = U₀ + U_mх і покази вольтметра будуть відповідати максимальному значенню напруги U_xmax = U₀ + U_mx(рис. 4.18, г).

Для уникнення цього недоліку використовують схему з закри­тим входом (рис. 4.18, б), в якій на вході включений конденсатор, який не пропускає сталу (постійну) складову напруги U₀. Детектор із закритим входом працює аналогічно до попереднього, що роз­глядався вище. Але завдяки іншому розміщенню конденсатора у схемі через цей детектор не може пройти постійна складова напруги U_х, якщо така існує. Ця обставина і зумовила назву детектор із закритим входом. Друга особливість детектора із закритим входом полягає у тому, що застосування його можливе тільки у тих випадках, коли джерело напруги U_х має гальванічну провідність і опір його у багато разів менший опору R_н. У протилеж­ному випадку сталі часу при зарядженні і розрядженні конденса­тора будуть суттєво відрізнятися від розрахункових, і співвідно­шення значень напруг Uі Uх буде невизначеним. Схеми з відкритим і закритим входом отримали застосування в універсальних електронних вольтметрах з межами вимірювань від 100 мВ до 1000 В, наприклад, типів В7 - 17, В7 - 26, ВК7-9 (з відкритим входом) і В-4-11, ВЗ-24 (з закритим входом). За допомогою електронних приладів можуть вимірюватися різні електричні величини: струм, напруга, опір частота і т. д. Але найбільше застосування отримали вольтметри. Електронні вольтметри, як і більшість інших електронних приладів мають Цінну властивість — мале власне споживання енергії, або дуже великий вхідний опір при малій ємності. Ця властивість пояс­нюється тим, що у більшості електронних приладів енергія, яка Необхідна для відхилення рухомої частини вимірювального механізму, поступає не від цього кола, в якому вимірюється напру­га, а від допоміжного джерела енергії.

Великий вхідний опір електронних приладів дає змогу вико­ристовувати їх тоді, коли споживання енергії від джерела вимірюваної напруги може бути допущено тільки дуже маленьке (наприклад у радіоприймачах). Точність електронних приладів є невелика (4.0 клас), через недосить стійкі параметри елементів схем (електронні лампи, або діоди, конденсатори малої ємності, високоомні мініатюрні опори). їх характеристики сильно залежать від температури і вологості повітря. Недоліки: невисока точність; складність схем і низька надійність; необхідність у додаткових джерелах живлення; велика залежність від форми кривої вимі­рюваної напруги чи струму. Застосування: через мале споживання енергії і здатність роботи при високих частотах основна галузь застосування електронних приладів — для вимірювань у радіо­електронних схемах.