5.3 Дифференциальный усилитель

Прецизионные измерительные усилители часто выполняют дифференциальными. При этом схему включения выбирают та­кой, чтобы изменения выходных сигналов плеч взаимно вычита­лись. Такой подход достаточно эффективен, так как изменения выходных сигналов, вызванные нагревом близких по параметрам компонентов, в первом приближении одинаковы. Разность их близка к нулю. Примером измерительного усилителя с дифферен­циальным входом, высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала является схема рисунок 5.3. В ней одинаковые ОУ DA1 и DA2 представляют собой дифференциальный усилитель, имеющий высокое входное сопро­тивление. Схема их включения обеспечивает повышение К_{ос сф}.

Рисунок 5.3 – Схема измерительного усилителя с дифференциальным входом

ОУ DA3 производит вычитание выходных сигналов ОУ DA1, DA2 и тем самым уменьшает влияние на выходной сигнал напряжения смещения нуля ОУ DA1, DA2 и синфазного входного напряжения. Для нахождения коэффициента усиления запишем очевидные уравнения для ОУ DA1, DA2:

;

(5.4)

Преобразуем (5.4) с учетом того, что в таких усилителях ре­зисторы R₁ и R₃ равны: R₁ = R₂= R₃, а параметры компонентов выбирают так, чтобы .В результате этого:

(5.5)

Если параметры ОУ DA3 выбраны так, что выполняется условие:

R₅/ R₄=( R₄+ R₅) R₇/( R₆+ R₇) R₄= R₃, то его выходное напряжение:

(5.6)

Подставив в (5.6) значение U_вых1 и U_вых2 из (5.5) получим:

(5.7)

Из (5.7) видно, что коэффициент усиления по напряжению К₃(1+R₀/R₂) зависит от сопротивлений R₀, R₂ и может легко ре­гулироваться изменением значения R₂. Влияние напряжений сме­щения нуля ОУ DA1, DA2 сравнительно невелико и полностью от­сутствует при одинаковых U_cm1, U_cм2 и равных их изменениях. Напряжение смещения нуля ОУ DA3 никак не компенсируется, но его влияние на погрешности усиления невелико, так как сигналы, поступающие на входы этого ОУ, имеют большие значения.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала очень велик. Это обусловлено тем, что ОУ DA3 усиливает только разность на­пряжений U^'_вых1 и U^'_вых2. Поэтому при равных коэффициентах ослабления синфазного сигнала у ОУ DA1, DA2 подавление его на выходе ОУ DАЗ будет практически полным.

При необходимости получить дифференциальный вход на­грузку подключают к точкам 1,2 (рисунок 5.3).

Если к усилителю подключается источник сигнала, не связан­ный гальванически с источником питания усилителя, то в цепи входов необходимо ввести сопротивления, обеспечивающие полу­чение требуемых значений входных токов.

5.4 Магнитоэлектрический вольтметр

Общие сведения. Магнитоэлектрические приборы состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольт­метры), сопротивлений (омметры), количества электричества (баллистические гальванометры и кулонметры). Магнитоэлек­трические приборы применяют также для измерения или индика­ции малых токов и напряжений (гальванометры). Кроме того, магнитоэлектрические приборы используют для регистрации электрических величин (самопишущие приборы и осциллографические гальванометры).

Измерительный механизм. Вращающий момент в измеритель­ном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в ре­зультате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током. Применяют магнитоэлектри­ческие механизмы с подвижной катушкой и с подвижным магни­том. Наиболее распространен механизм с подвижной катушкой. Ток к подвижной катушке подводится через две спиральные пру­жинки. При протекании тока i через подвижную катушку возни­кает вращающий момент.

Если ток синусоидальный (i = I_m sinώt), то вращающий мо­мент M_t = BsώI_m sinώt. При этом, работа механизма зависит от соотношения частоты тока ώ и частоты собственных колебаний подвижной части механизма ώ₀. У измерительных механизмов магнитоэлектрических ампер­метров, вольтметров, омметров период собственных (свободных) колебаний подвижной части примерно одна секунда (ώ₀ = 6,28 с^-1). Следовательно, отклонение подвижной части изме­рительного механизма при частоте тока более 10 Гц практически равно нулю. В диапазоне частот до 10 Гц подвижная часть ко­леблется с частотой входного тока, причем максимальное откло­нение зависит от частоты. Поэтому приборы с такими измеритель­ными механизмами применяют в цепях постоянного тока.

При протекании через катушку постоянного тока I враща­ющий момент

M = BswI.

При постоянной индукции В в зазоре угол отклонения подвижной катушки пропорционален току в катушке, а знак угла отклонения меняется при изменении направления тока.

Магнитный шунт в виде пластины из ферромагнитного материала используют для регулировки индукции в воздушном зазоре механизма путем перемещения шунта. При этом происходит перераспределение магнитных потоков через воздушный зазор и шунт. Это необходимо, например, для измене­ния чувствительности механизма.

В магнитоэлектрических логометрических измерительных ме­ханизмах подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек, по обмоткам которых протекают токи. Ток к катушкам подводится с помощью металлических лент, практически не имеющих проти­водействующего момента. Моменты, создаваемые взаи­модействием магнитного поля постоянного магнита и токов кату­шек, направлены навстречу друг другу. Так как хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части, то для этого, например, зазор выполняют неравномерным.

В магнитоэлектрических механизмах осуществляется магни-тоиндукционное успокоение за счет взаимодействия токов, наво­димых в дюралюминиевом каркасе подвижной катушки при ее перемещении, и поля постоянного магнита и за счет взаимодейст­вия токов, наводимых в цепи катушки, и поля магнита.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют не­которые особенности, которые придают магнитоэлектрическим приборам определенные положительные свойства. Магнитоэлек­трические измерительные механизмы имеют высокую чувстви­тельность и малое собственное потребление энергии, имеют ли­нейную и стабильную номинальную статическую характеристику преобразования а = f(I), что объясняется стабильностью свойств применяемых материалов. У этих механизмов отсутству­ет влияние электрических полей и мало влияние магнитных полей из-за достаточно сильного поля в воздушном зазоре (0,2— 1,2 Тл). Однако эти механизмы имеют малую перегрузочную способность по току, относительно сложны и дороги. Недостаток их также в том, что обычные механизмы реагируют только на постоянный ток.