3.3. Приборы выпрямительной системы для измерения амплитудного, средневыпрямленного и эффективного значений

Ток приборами выпрямительной системы измеряется, как правило, по падению напряжения на известном сопротивлении, поэтому ограничимся рассмотрением схем для измерения напряжения. Для измерения амплитудного значения напряжения Uм обычно используется какая-либо из схем диодного амплитудного детектора. На рис. 3.5 в качестве примера приведена схема диодного амплитудного детектора с открытым входом. К зажимам 1 и 2 подключен источник переменного напряжения с амплиту-

дой Uм, внутреннее сопротивление которого Rи. В положительные полупериоды конденсатор С через

диод будет заряжаться почти до амплитудного значения (рис. 3.5б). Разряд конденсатора будет происходить только через индикатор с внутренним сопротивлением R, так как в отрицательные полупериоды

диод VD заперт. Постоянная времени τ = RC выбирается достаточно большой по сравнению с периодом Т измеряемого напряжения:

Рис. 3.5. Диодный амплитудный детектор: а) принципиальная схема; б) график напряжения на конденсаторе; в) график напряжения на диоде

При таком выборе τ конденсатор за время отрицательного полупериода не может значительно разрядиться, поэтому среднее значение напряжения на конденсаторе UС будет близким к амплитудному значению измеряемого напряжения Uм. При достаточно большой ёмкости С пульсации будут малы. Мгновенное значение напряжения на диоде UD состоит из почти постоянного по времени напряжения UC и входного переменного напряжения (рис. 3.5в). Ток через диод протекает только в течение отрезка времени, на протяжении которого напряжение на диоде положительно. Этот отрезок времени, выраженный в значении угла поворота вектора синусоидального напряжения, обозначен 2θ. Угол θ называют углом отсечки тока диода. Из рис. 3.5 видно, что

UC = Uм cosθ .

Среднее значение импульсов тока через диод

где Ri – внутреннее сопротивление диода VD.

С другой стороны, среднее значение импульсов тока равно току, протекающему через индикатор:

Iср.и = URC = URм cosθ .

Взяв интервал и приравняв два последних выражения, получаем:

Численные значения, характеризующие близость UC к Uм такие:

23

тор пропорционален амплитудному значению измеряемого напряжения. Если в качестве индикатора

используется прибор магнитоэлектрической системы, отклонение α стрелки которого пропорционально току Iср.в, его шкала может быть отградуирована в амплитудных значениях входного напряжения.

На рис. 3.6а изображена очень распростра-

из которого следует, что отклонение стрелки при-

Схема по рис.3.6 из-за односторонней проводимости диода неприменима для измерения переменного тока. Для измерения переменного тока применяют схемы с однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением (рис.3.7). В схеме, рис.3.7а через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, обратная волна проходит через VD2. Резистор r, имеющий сопротивление, равное сопротивлению миллиамперметра, служит для уравнивания сопротивлений измерительной цепи в обоих направлениях переменного тока.

Рис. 3.7. Схемы включения миллиамперметра постоянного тока с выпрямителями: а) с однополупериодным; б) с двухполупериодным; в) и г) с двухполупериодным с заменой двух выпрямителей резисторами

Вдвухполупериодной схеме (рис.3.7б) ток через миллиамперметр проходит в оба полупериода, следовательно, чувствительность схемы увеличивается (теоретически) вдвое.

Для уменьшения влияния температуры иногда два диода заменяют резисторами, однако, поскольку в миллиамперметр ответвляется лишь часть тока, эти схемы имеют меньшую чувствительность. Для измерения небольших токов применяют схему по рис. 3.7в, для больших – схему по рис. 3.6г, так как в ней в каждый полупериод один из резисторов играет роль шунта.

При использовании добавочного резистора схемы по рис.3.7 могут служить вольтметрами.

Ввольтметрах эффективного значения Uэфф должны иметься устройства для возведения в квад-

рат (квадратор) и извлечения квадратного корня. На практике, однако, в угоду простоте схемы обычно жертвуют устройством для извлечения квадратного корня, ограничиваясь применением квадратора, хо-

24

тя в этом случае прибор имеет нелинейную шкалу. Наиболее часто в вольтметре используют квадратичный детектор с кусочно-линейной аппроксимацией параболы второй степени и индикатор магнитоэлектрической системы (рис. 3.8).

Принцип действия схемы состоит в следующем. На входные зажимы 1 и 2 подаётся измеряемое напряжение. К резисторам R4 и R5 приложено постоянное запирающее напряжение E0. Падениями напряжения на резисторах R4 и R5 запираются соответственно диоды VD2 и VD3. В положительный полу-

период, если максимальное мгновенное значение входного напряжения u не превышает величины Е1

(рис.3.8б) ток протекает через диод VD1, и на резисторе R0 возникает падение напряжения u0, являю-

щееся выходным напряжением схемы. Ток диода VD1 определяется сопротивлениями резисторов R1 и R0 и линейно зависит от входного напряжения.

По мере роста тока диода VD1 увеличивается падение напряжения на R1. При мгновенном значении входного напряжения u = E1 напряжения на R1 и R5 компенсируются, и открывается диод VD2. При этом ток протекает через резисторы R1 и R2, и крутизна зависимости тока от входного напряжения при u > E1 увеличивается.

Рис. 3.8. Вольтметр эффективного значения с кусочно-линейной аппроксимацией параболической зависимости: а) принципиальная схема; б) кусочно-линейная аппроксимация параболы второй степени

При дальнейшем увеличении u при u = E2 компенсируются напряжения на резисторах R2 и R4, открывается диод VD3 и ток i протекает через резисторы R1, R2 и R3, в результате чего крутизна зависимости тока i от входного напряжения ещё больше увеличивается. Подбирая параметры схемы, можно получить ломаную линию, отражающую зависимость i от u, близкую к квадратичной параболе; приближение тем лучше, чем большее число отрезков содержит ломаная линия. Средний ток через индикатор IРА и отклонение стрелки индикатора пропорциональны составляющей Iср.в пульсирующего тока i и вызываемому ею падению напряжения на резисторе R0. Постоянная составляющая тока Icр.в, в свою очередь, пропорциональна квадрату эффективного значения измеряемого напряжения при условии его симметричности в обоих полупериодах, так что имеем:

где k – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, шкала прибора может быть отградуирована в эффективных значениях измеряемого напряжения, хотя и будет нелинейной (сжатой в начале). При несимметричной форме кривой показания вольтметра зависят от варианта подключения его зажимов 1 и 2 к измеряемому напряжению. Если кривая измеряемого напряжения симметрична, показания могут быть считаны со шкалы сразу же. Если же кривая несимметрична, эффективное значение может найдено по результатам двух измерений при разных вариантах подключения зажимов

где U1 и U2 – отсчёты по шкале вольтметра в каждом из вариантов.

Выпрямительными приборами без специальной частотной компенсации можно измерять напряжения до частот 5…10 кГц, с частотной компенсацией – до примерно 100 кГц. Погрешность выпрямительных вольтметров и амперметров довольно велика, их класс точности составляет обычно 1,0…2,5.

25