25.2. Измерение тока

25.2.1. ИЗОЛИРОВАННЫЕ ОТ ЗЕМЛИ АМПЕРМЕТРЫ С МАЛЫМ ПАДЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

В разд. 11.2 был рассмотрен преобразователь ток-напряжение, который почти идеально подходит для применения в качестве амперметра вследствие своего экстремально низкого входного напряжения. Конечно, можно измерять только ток, который непосредственно течет в общую точку (на корпус).

Изолированный от земли амперметр можно реализовать при помощи электрометрического вычитателя, показанного на рис. 25.3, подключив между его входами токоизмерителъный резистор. Разумеется, из-за введения этого резистора теряется такое важное преимущество усилителя, как малое входное сопротивление. Однако если, как показано на рис. 25.6, в цепь отрицательной обратной связи входных усилителей включить измерительный резистор, падение напряжения на изолированном амперметре будет очень мало.

Благодаря отрицательной обратной связи через резисторы R₂ и R'₂ потенциал V_N, устанавливается равным V_e. Разность потенциалов между входами 1 и 2 также равна нулю. Предположим теперь, что через точку 1 втекает ток I. Тогда выходной потенциал ОУ 2 благодаря отрицательной обратной связи будет равен

Рис. 25.6. Незаземленный амперметр с пренебрежимо малым падением напряжения

Величина тока, вытекающего через точку 2, определяется соотношением

Если схема по обоим входам изолирована от земли, то должно выполняться условие I'==I. В противном случае разностный ток I = I'-I стекает с выходов операционных усилителей на корпус. Из этого следует условие выравнивания

На вычитающий усилитель ОУ 3 поступает разность V₁ — V₂. В соответствии с формулами (25.1) и (25.2) его выходное напряжение составляет

Это напряжение пропорционально протекающему току.

25.2.2. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА ПРИ ВЫСОКОМ ПОТЕНЦИАЛЕ

Рассмотренная в предыдущем разделе схема пригодна для измерения тока при напряжении, не превышающем напряжение питания. Для измерения тока при высоком потенциале подходит простая схема, описанная в разд. 12.5, если изолированный усилитель подключить к «плавающей» земле. Выходное напряжение с помощью изолированного усилителя определяется относительно нуля.

Аппаратурные затраты могут быть существенно сокращены, если при измерении тока можно допустить падение напряжения от 1 до 2В (например, в анодной цени высоковольтных радиоламп). В этом случае измеренный ток может просто протекать через светодиод оптической пары. При этом не нужен изолированный от земли источник тока. Для линеаризации передаточной характеристики можно, как показано на рис. 25.7. на приемной стороне использовать опорную оптическую связь (пару). Ее входной ток I₂; с помощью операционного усилителя устанавливается таким, чтобы фототоки опорной и измерительной пар взаимно уничтожались. Если обе связи хорошо согласованы, то I₂ = I. Этот ток может быть измерен по создаваемому на заземленном резисторе R падению напряжения.

Рис. 25.7. Простои изолированный усилитель для измерения тока.

25.3. Измерительный выпрямитель

Переменный ток принято характеризовать различными параметрами: арифметическим средним значением, эффективным значением, а также положительным и отрицательным амплитудными значениями.

25.3.1. ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕГО АБСОЛЮТНОГО ЗНАЧЕНИЯ

Для определения модуля переменного напряжения нужна схема, знак усиления которой изменялся бы в зависимости от полярности входного напряжения. Следовательно, ее передаточная характеристика должна иметь вид, представленный на рис. 25.8.

Рис. 25.8. Характеристики однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

Такое двухполупериодное выпрямление можно реализовать посредством диодной мостовой схемы. Однако достижимая точность ограничивается падением напряжения на диодах. Этот эффект можно устранить, если использовать диодный мостовой выпрямитель с управляемым источником тока. Простой вариант подобной схемы представлен на рис. 25.9, Операционный усилитель служит в качестве управляемого по напряжению источника тока, который был рассмотрен в разд. 12.8.

Рис. 25.9. Двухполупериодный выпрямитель для индикаторного устройства.

Поэтому ток не зависит от падения напряжения на диодах:

Для определения среднего значения этого тока можно, например, использовать амперметр магнитоэлектрической системы. Подобный метод часто применяют в аналоговых мультиметрах.

Если выходной потенциал нс выходит за пределы диапазона -2 U_D < Va < 2U_D, то усилитель не охватывается отрицательной обратной связью, так как все диоды закрыты. В течение времени, когда Va меняется от значения 2U_D на величину —2U_D, V_N остается постоянным. Это «мертвое» время в цепи регулирования. «Мертвое» время может привести к любому фазовому сдвигу, что создает особые трудности для стабилизации операционного усилителя. В связи с этим предпочтение отдают усилителям с высокой скоростью нарастания входного сигнала, что обеспечивает сокращение времени запаздывания. Кроме того, нужно использовать сильную частотную коррекцию в виде линейной отрицательной связи.