2.1.5 Вимірювальні перетворювачі змінних напруг та струмів: діючих, середніх амплітудних значень

Змінні струми та напруги широко застосовуються в усіх галузях економіки. Слід зауважити, що в усіх країнах си­стеми енергозабезпечення працюють на змінному струмі.

Найбільш повною інформаційною характеристикою змінного струму є крива струму чи напруги впродовж періоду. На практиці здебільшого достатньо знати тільки найважливіші параметри змінних струмів і напруг: се­реднє квадратичне (діюче) значення, середнє випрямлене значення, амплітудне (пікове) значення.

Перетворювачі середніх квадратичних діючих значень. Середнім квадратичним (діючим, ефективним) значен­ням змінного струму називається таке значення постійно­го струму, яке на однаковому опорі за однаковий час виділяє однакову кількість теплоти.

Для отримання середнього квадратичного значення струму необхідно виконати операцію піднесення миттєвих значень до квадрату, інтегрування отриманого сигналу і добування квадратного кореня із інтегрованого сигналу.

Найбільшого поширення набули перетворювачі середніх квадратичних значень на основі термоперетворювачів.

Термоелектричний вимірювальний перетворювач скла­дається з термопари і нагрівача (рис. 2.1.5.1). Вимірюваний струм, що проходить через нагрівач, виділяє теплоту і внаслідок цього на термопарі виникає термоерс, яка вимірюється магнітоелектричним приладом.

К ількість теплоти за одиницю часу, яка виділяється в нагрівачі, прямо пропорційна квадрату діючого значен­ня змінного струму:

Термоерс, у свою чергу, прямо пропорційна кількості виділеної теплоти:

О тже, термоерс прямо пропорційна квадрату діючого значення вимірюваного струму:

Позитивною характеристикою термоелектричних при­ладів є широкий (до 100 МГц) частотний діапазон і здат­ність вимірювати струми зі спотвореною формою.

Перетворювачі середніх значень. Середнім випрямле­ним значенням (середнім значенням модуля) змінного струму називається таке значення постійного струму, яке через провідник з однаковим перерізом переносить однако­вий заряд.

Перетворювач середніх випрямлених значень скла­дається, як правило, з випрямляча змінного струму, на виході якого увімкнено фільтр нижніх частот. Випрямляч змінного струму — це перетворювач струму зі змінною полярністю і миттєвим значенням в однополярний пульсу­ючий сигнал. Найбільш поширена — мостова схема ви­прямляча. Фільтр нижніх частот призначений для виділення постійної складової пульсуючого однополярного сигналу.

Двопівперіодний випрямляч показано на рисунку 2.1.5.2. Змінна вхідна напруга подається на одну діагональ моста, а вихідна пульсуюча напруга знімається з іншої діагоналі. Впродовж додатного півперіоду вхідної напруги потенціал точки а більший за потенціал точки b (φ_a>φ_b), тому анодні потенціали діодів VD1, VD4 більші потенціалів їх катодів, р-п-переходи цих діодів зміщені у прямому напрямку і діоди VD1, VD4 відкриті. Опір відкритих діодів VD1, VD4

незначний, потенціали точок а, b відрізняються від по­тенціалів точок с, d напругою на відкритих діодах: φ_c=φ_a+R_dI, φ_d=φ_b+R_dI.

Потенціали катодів VD2, VDЗ впродовж додатного півперіоду вхідної напруги більші за потенціали анодів, діоди VD2, VD3 закриті і їх обернений опір набагато пере­вищує опір споживача.

Упродовж від'ємного півперіоду вхідної напруги діоди міняються ролями, тобто діоди VD1, VD4 стають закрити­ми, а VD2, VD3 — відкритими. Потенціали точок а, Ь відрізняються від потенціалів точок с, d напругою на відкритих діодах: φ_c=φ_b+R_dI, φ_d=φ_a+R_dI.

Похибка випрямляча спричинена відхиленням пара­метрів реального діода від ідеального (ненульовий опір діода у прямому зміщенні (R_d>0) і скінчений опір в оберненому зміщенні R_b≠∞). Ця похибка значно зростає, якщо амплітуда вхідного сигналу сумірна зі значенням по­тенціального бар'єру переходу.

Для зменшення похибки застосовують активні випрям­лячі на основі операційного підсилювача, у яких діоди увімкнені в коло зворотного зв'язку (рис. 2.1.5.3).

Перетворювачі амплітудних значень. Амплітудним (піковим) значенням змінного струму називається най­більше відхилення струму від усталеного значення.

Перетворювачі амплітудних значень перетворюють змінну напругу в постійну, значення якої дорівнює амплітудному значенню змінної напруги. Перетворювачі амплітудних значень

складаються з діода, призначеного для випрямлення, і конденсатора, який виконує роль елемента пам'яті. Перетво­рювач із закритим входом (рис. 2.1.5.4) реагує тільки на змінну складову напруги, а перетворювач з відкритим вхо­дом (рис. 2.1.5.5) реагує на змінну напругу, яка містить постійну складову.

Під час зростання напруги до максимального значення (у момент, коли вхідна напруга перевищує напругу на конденсаторі), діод відкривається і конденсатор починає заряджатися через відкритий діод. Напруга на конденса­торі під час заряджання майже повторює форму вхідної напруги. Відхилення напруги на конденсаторі, що заряд­жається, від вхідної напруги, тобто похибка, зумовлене сталою заряду, яка дорівнює добутку ємності конденсато­ра на сумарний опір відкритого діода і вихідного опору джерела змінного сигналу:

Отже, чим менша стала заряду, тим менша похибка. Для зменшення похибки заряду необхідно зменшувати ємність конденсатора і вихідний опір джерела змінного сигналу. Опір відкритого діода залежить від значення прямої напруги на діоді і для значень прямої напруги сумірної зі значенням потенціального бар'єру переходу (близько 0,3 В для германієвого і 0,7 В для кремнієвого діода) опір різко збільшується. Це призводить до різкого зро­стання похибки для малих амплітуд вхідного сигналу.

Пройшовши максимум, вхідна напруга зменшується. Напруга на конденсаторі, зберігаючи амплітудне значен­ня, стає більшою за вхідну напругу. Внаслідок цього потенціал катода стає більший за потенціал анода, і діод закривається.

Конденсатор в ідеальному випадку має зберігати амплі­тудне значення нескінченно тривалий час. Насправді ж, за реальних умов конденсатор повільно розряджається через вхідний опір пристрою, увімкненого на виході перетворю­вача амплітудних значень (рис. 2.1.5.6). Розряд конденсатора призводить до того, що напруга на конденсаторі відхи­ляється від амплітудного значення вхідної напруги, тобто виникає похибка перетворення. Таким чином, чим повіль­ніше конденсатор розряджається, тобто чим більша стала розряду (добуток ємності конденсатора на вхідний опір), тим менше напруга на конденсаторі відхиляється від амплітудного значення і тим менша похибка перетворення.

Відносна похибка, зумовлена частковим розрядом кон­денсатора, внаслідок чого середнє значення напруги на конденсаторі відрізняється від амплітудного значення вхідного сигналу, залежить від відношення періоду коли­вань вхідного сигналу до сталої розряду:

Зі зменшенням частоти вхідного сигналу похибка зростає і визначає нижню межу діапазону частот вхідного сигналу.

На високих частотах проявляються ємність діода і на­вантаження, індуктивність і ємність монтажних провідни­ків, діелектричні втрати і поверхневі струми конденсатора, що призводить до збільшення похибки перетворення і об­межує верхнє значення діапазону частот вхідного сигналу. Цю похибку зменшують конструктивними способами: пе­ретворювач розміщують у спеціальному виносному пробни­ку, що вмикається безпосередньо у досліджуване коло.

Для зменшення похибки і збільшення вхідного опору застосовують активні амплітудні перетворювачі на основі операційних підсилювачів (рис. 2.1.5.7).