Вольтметра

Универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназна­ченные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, реализуются так, как показано на рис. 5.3.

Характеристики аналоговых электронных вольтметров перемен­ного тока и характер их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразователи пикового, средневыпрямленного, среднеквадратичного зна­чений, осуществляющие преобразование переменного напряжения в постоянное, пропорциональное соответственно пиковому (максимальному), средневыпрямленному и среднеквадратичному значе­ниям измеряемого напряжения.

Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть либо открытым, либо закры­тым (с разделительным конденсатором).

По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхчастотные. На рис. 5.4 показана схема универсального анало­гового электронного вольтметра В7-26 для измерения напряжения в цепях постоянного тока , переменного тока низкой и высо­кой частоты.

Рисунок 5.4 – Схема аналогового электронного вольтметра В7-26

5.2 Основные узлы аналоговых электронных вольтметров

В

Рисунок 5.5 – Схемы преобразователей пикового значения

ходное устройство обеспечивает значения измеряемого напряжение, необходимое 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 (рис. 5.5), либо конденсаторный делитель.

В преобразователях пикового значения показания α микроамперметра про­порциональны пиковому значению изме­ряемого напряжения , т. е. . На рис. 5.5, а, б приводятся схемы пре­образователей пикового значения соот­ветственно с открытым и закрытым вхо­дами.

В преобразователе пикового значения с открытым входом диод Д включен по­следовательно с высокоомным резисто­ром R и непосредственно связан с объ­ектом измерения. Параметры преобразователя подобраны таким образом , чтобы при первой положительной полуволне измеряемого напряже­ния большим импульсом тока через открытый диод Д с сопротивлением осуществлялся быстрый заряд конден­сатора до некоторого значения напряжения (рис. 5.6) и мед­ленный разряд на резистор с момента, когда и при отрицательной полуволне напряжения . Постоянные времени заряда и разря­да связаны условием (сопротивление микроамперметра не учиты­вается из-за малого значе­ния).

При второй положитель­ной полуволне конденсатор вновь подзаря­дится до напряжения . При значении постоян­ной разряда, много большем периода измеряемого напряжения, примерно через конденсатор зарядится до амплитудного значения измеряемого напряжения , т. е. . Показа­ния магнитоэлектрического микроамперметра определяются сред­ним разрядным током , пропорциональ­ным амплитудному значению изме­ряемого напряжения.

Рисунок 5.6 – Временные диаграммы напряжения, поясняющие работу пикового преобразователя с открытым входом

Если измеряемое напряжение , подаваемое на вход преоб­разователя пикового значения с открытым входом, содержит кроме переменной еще и постоянную со­ставляющую, т. е. , то показания мик­роамперметра будут пропорцио­нальны сумме .

Большое практическое приме­нение имеет преобразователь пико­вого значения с закрытым входом (рис. 5.5 б), в котором диод Д включен параллельно высокоомному резистору (такая схема используется в универсальных аналоговых электронных вольтметрах). При положительной полуволне измеряемого напряжения конденсатор заряжается через диод Д сопротив­лением приблизительно до амплитудного значения , а при отрицательной полуволне измеряемого напряжения диод Д будет заперт, поэтому заряженный конденсатор разряжается на резистор , но так как постоянная времени разряда конденсатора велика по сравнению с периодом измеряемого напряжения, то конден­сатор не успевает разрядиться за период и напряжение на нем остается примерно равным .

Рисунок 5.7 – Временные диаграммы напряжений, поясняющие работу пикового преобразователя с закрытым входом

К резистору приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения и напряжения на конденсаторе , т. е. .

Напряжение на резисторе повторяет форму измеряе­мого напряжения , но смещено на амплитудное значение (рис. 47), т. е. пульсирует от . Микроамперметр, вклю­ченный в цепь , реагирует на среднее значение тока в цепи . Так как напряжение пульсирует от , то, чтобы уменьшить пульсации тока через прибор, в реальных схе­мах аналоговых электронных вольтметров напряжение по­дается на вход усилителя постоянного тока через сглаживающий фильтр низ­кой частоты, а микроампер­метр уже включается на выходе УПТ (рис. 5.8).

Рисунок 5.8 – Реальная схема пикового преобразователя

с закрытым входом

Если измеряемое напря­жение , поданное на преобразователь пикового значения с закрытым вхо­дом, содержит кроме пере­менной е ще и постоянную составляющую, т. е. , то при действии напряжения конденсатор заря­дится до значения , напряжение на резисторе будет .

Постоянные составляющие измеряемого напряжения и напряжения на конденсаторе друг друга взаимно компенсируют на резисторе . Таким образом, микроамперметр в преобразователе пикового значения c закрытым входом реагирует только на переменную составляющую напряжения .

Рисунок 5.9 – Схема линейного

преобразователя

В преобразователях средневыпрямленного значения (рис. 5.9) показания α мик­роамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения , т. е. Пре­образователи выполняются на полупровод­никовых диодах, работающих в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления. Работа диодов осуществляет­ся на линейном участке вольтамперной характеристики.

Наиболее распространенные схемы - мостовые. 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 , а в отрицательный полупериод - по цепи ). При использовании линейного участка характеристики диода и при от­крытом входе показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Если же вход преобразователя закрытый, то показания микроамперметр пропорциональны только средневыпрямленному значению перемен­ной составляющей измеряемого напряжения.

В преобразователях среднеквадратичного значения, (рис. 5.10, а) показания α пропорциональны квадрату средне­квадратичного значения измеряемого напряжения , т. е. . Преобразователи выполняются на элементах с квадратич­ной вольтамперной характеристикой, при этом ток через микроам­перметр пропорционален квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения, поданного на вход преобразователя, т. е. .

При ток .

Поскольку выходной прибор - магнитоэлектрический микроам­перметр, он будет реагировать на среднее значение тока .

Аналогичное доказательство можно выполнить для измеряемого напряжения любой формы: , где - номер гармоники; соответственно максимальное и среднеквадратичное значения измеряемого напряжения.

Рисунок 5.10 – Схема квадратичного преобразователя (а) и диаграмма напряжений (б)

Для увеличения протяженности квадратичного участка вольтамперной характеристики используются преобразователи на диод­ных цепочках. Напряжение создает на резисторах и соот­ветственно напряжения смещения и . Если входное напряже­ние не превышает значения , то ток протекает через диод . Если , то ток протекает через диоды и , в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается (рис. 5.10, б). Ток через прибор равен . Если , то ток протекает через диоды и ток через прибор равен , крутизна зависимости уве­личивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно осущест­вить кусочно-линейную аппроксимацию вольтамперной характери­стики отдельных диодов и увеличить протяженность квадратичного участка преобразователя.