5.2.8. Выпрямительный детектор среднеквадратического значения.

Детектор среднеквадратического значения (СКЗ) - это измерительный преобра­зователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональ­ное квадрату СКЗ переменного напряжения. Измерение СКЗ нап­ряжения связано с вьполнением квадрирования, усреднения и из­влечением квадратного корня. Первые две осущест­вляются детектором. Операция извлечения корня должна осуще­ствляться градуировкой аналогового измерительного прибора, под­ключаемого к выходу детектора СКЗ. Таким образом, детектор СКЗ должен иметь квадратичную функцию преобразования, а сам нелинейный элемент квадратичную вольтамперную характерис­тику.

Детектор СКЗ при этих условиях позволяет осуществлять пре­образование в постоянное напряжение СКЗ переменных напряже­ний несинусоидальной формы, поскольку , где - СКЗ напряжения несинусоидальной формы, - СКЗ гармони­ческих составляющих.

В качестве нелинейного элемента детектора, имеющего квадра­тичную вольтамперную характеристику (ВАХ), можно, например, использовать начальный участок ВАХ полупроводникового диода. Однако участок этот имеет очень малую протяженность. Полу­проводниковые диоды имеют большой разброс параметров на этом участке характеристики. Поэтому большее распространение полу­чили детекторы на основе диодной цепочки. Такая цепочка позво­ляет получить квадратичную ВАХ в результате кусочно-линейной аппроксимации параболической кривой. Схема квадратичного пре­образователя с диодной цепочкой показана на рис. 5.25.

Входное напряжение uвх подводится к широкополосному транс­форматору . С помощью диодов и во вторичной обмот­ке осуществляется двухполупериодное выпрямление. Выпрямленное напряжение действует на цепь, состоящую из диодной цепочки , и резистора нагрузки . Падение напряжения на нагрузке через фильтр нижних частот подается на выход преобразователя.

Рис. 5.25 Схема квадратичного преобразователя

Выходное напряжение пропорционально среднему значению тока диодной ячейки. Диодная цепочка имеет близкую к парабо­лической вольт-амперную характеристику. Поэтому среднее зна­чение выходного напряжения оказывается пропорциональным квадрату средне­квадратического значения входного напряжения. Как обеспечивается квадратичная вольтамперная характеристика? Делители напряжения подключены к общему ста­билизированному источнику напряжения Е. Делители подобраны так, что смещения , подаваемые на диоды, удовлетворяют соот­ношению . Пока входное напряжение цепочки U не достигает (рис, 5.26), все диоды закрыты и начальная часть ВАХ является прямой линией с наклоном, зависящим от сопротив­лений резисторов , и . Когда напряжение U превысит , откроется диод и параллельно подключится делитель , . Крутизна ВАХ на участке от до возрастает, ток в цепи; станет (рис. 5.26). Когда выполнится условие , и цепи преобразователя будет протекать ток . Крутизна ВАХ будет увеличиваться с ростом U. Выбирая соответствующим: образом сопротивления делителей, можно получить ВАХ в виде ломаной линии, приближающейся к квадратичной параболе. Таким образом, квадратичная характеристика синтезируется из начальных участков характеристик ряда диодных ячеек, что показано на рис. 5.26.

Коэффициент преобразования детектора по току , где I—среднее значение тока на выходе преобразователя, - СКЗ входного напряжения.

При использовании в преобразователе магнитоэлектрического прибора (включается вместо ) усреднение осуществляется при­бором, а операция извлечения квадратного корня реализуется гра­дуировкой шкалы. Тогда показания прибора будут

, (5.53)

где - коэффициент преобразования детектора СКЗ по отклонению. Погрешность преобразования таких преобразователей определяется нестабильностью ВАХ диодов, непостоянством сопротивлений резисто­ров и т. д. Она составляет .

Рис. 5.26 Характеристики диодных ячеек.

Частотный диапазон определяется свойствами трансформатора - индуктивностью (снизу) и паразитными параметрами диодной цепочки (сверху) и составляет интервал от нескольких герц до 1 МГц.

Детектор средневыпрямленного значения. Это измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, про­порциональный средневыпрямленному значению входного сигнала (среднему значению модуля). Вольтамперная характеристика та­кого детектора должна иметь линейный участок в пределах диапа­зона входных напряжений. Примером подобного преобразователя может служить двухполупериодный выпрямитель с фильтром ниж­них частот. Усреднение может быть выполнено магнитоэлектри­ческим прибором. Наиболее распространенными являются мосто­вые схемы (рис. 5.27). В схеме рис. 5.27,а ток через диагональ моста протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения. В положительный полупериод ток протекает по цепи: верхний входной зажим - диод - диагональ моста - диод - нижний входной зажим; в отрицательный: нижний зажим - диод - диагональ моста - диод - верхний зажим.

Направление тока соответствует проводящему направлению указанных диодов. Характеристики реальных диодов не имеют строго линейного участка, как это требуется условиями преобразования. Ток, протекающий через диод при положительном значении входного напряжения , где - сопротивление открытого диода, зависящее от приложенного напряжения, R - сопротивление нагрузки. Начальный участок характеристики близок к квадратичному. Поэтому будет иметь место погрешность, которая будет тем меньше, чем ближе к линейной будет характеристика диода.

Для улучшения линейности ВАХ в диагональ моста последо­вательно с резистором R включают такой резистор , сопротивление которого намного больше сопротивления открытого диода . В этом случае .

Рис. 5.27 Мостовые схемы.

Зависимость прямого тока от напряжения будет близка к линейной. Уменьшение чувствительности, которое будет при включении , можно компенсировать введением дополнительного усиления.

Схема рис. 5.27,б отличается от предыдущей тем, что вместо диодов и включены резисторы и . В положительный полупериод напряжения ток протекает через диод и резистор . Через резистор в этот полупериод ток не протекает, на его зажимах напряжение равно нулю. Поэтому, если в диагональ моста включить магнитоэлектрический вольтметр, он измеряет падение напряжения на . В отрицательный полупериод вольтметр, очевидно, измеряет падение напряжения на резисторе , поскольку через него и диод будет протекать ток.

Уравнение преобразования для рассмотренных схем, очевидно, можно выразить:

для схемы рис. 5.27,а при

, при имеем ;

для схемы рис. 5.27,б при ; ,

, при .

Погрешность преобразования обусловлена, главным образом, нелинейностью ВАХ диода и влиянием прямого сопротивления диода на ток, протекающий через выпрямительный мост.