2.10 . Вольтметры амплитудных (пиковых) значений напряжения

Для измерений пиковых (амплитудных) значений напряжения в вольтметрах используются пиковые (амплитудные) детекторы, на выходе которых постоянная составляющая напряжения непосредственно соответствует пиковому значению измеряемого напряжения. На рисунках 2.7 и 2.8 изображены схемы простейших вольтметров с последовательным пиковым детектором с открытым входом и параллельным детектором с закрытым входом.

Рассмотрим работу ввольтметра с открытым входом (рис. 2.7), когда на вход его подается синусоидальное напряжение U = U_m sin t. Будем полагать, что до момента включения напряжения конденсатор С не заряжен. Тогда в момент включения при положительной полуволне напряжения все напряжение будет приложено к диоду и в цепи диода возникнет большой импульс тока, заряжающий конденсатор С. Так как сопротивление резистора R имеет очень большую величину и постоянная времени разряда t_р = R C намного больше периода приложенного напряжения Т = 2p/w, то во время отрицательного полупериода приложенного напряжения заряд емкости уменьшится незначительно. Постоянная времени заряда t_з = R_i C (R_i - внутреннее сопротивление диода) намного меньше времени разряда, поэтому через несколько периодов на обкладках конденсатора установится постоянное напряжение U_c, близкое к амплитуде напряжения, поданного на вход детектора (рис. 2.7, б). По мере заряда емкости постоянная составляющая напряжения на нем увеличивается, что создает автоматическое смещение рабочей точки диода. В установившемся режиме постоянное напряжение на катоде диода будет равно U_co, и ток через диод будет протекать малую часть периода (θ<<90°), когда мгновенное значение напряжения превышает U_co.

Рис. 2.7 – Амплитудный детектор с открытым входом

а – схема; б – временные диаграммы.

Таким образом, пиковый детектор работает в режиме класса С (рис. 2.7 ). Установим соотношение между амплитудой напряжения U_m на входе детектора и постоянной составляющей напряжения на конденсаторе U_co. При достаточно большой емкости С пульсации напряжения на емкости будут малы, а среднее значение напряжения на конденсаторе будет почти постоянным (t_р>>T ), Но всегда имеет значение меньше амплитудного, что создаёт систематическую погрешность измерения.

Рассмотрим вопрос об измерении напряжения, содержащего постоянную составляющую, вольтметром амплитудных значений с открытым входом. Допустим, что на вход вольтметра подано пульсирующее напряжение (рисунок 2.7, б) таким образом, что к зажиму «а» вольтметра (рис. 2.7, а) приложена плюсом постоянная составляющая напряжения U_о. Тогда конденсатор С зарядится до напряжения U_о+U_md, равного пиковому значению напряжения U_m. Следовательно, в этом случае вольтметр будет измерять пиковое значение напряжения относительно нулевой линии.

Если изменить полярность включения вольтметра, подав положительную постоянную составляющую на катод (зажим б вольтметра), то так как диод будет заперт, до и показания вольтметра будут равны, поскольку заряд ёмкости возможен при открывании диода. Поэтому постоянная составляющаябудет влиять на показания вольтметра или увеличивая его, или уменьшая. В вольтметре с закрытым входом постоянная составляющая на результат измерения не влияет.

Рассмотрим амплитудный вольтметр с закрытым входом (рис. 2.8, б), к зажимам которого а-б подключено синусоидальное напряжение U =U_m sin wt. В положительный полупериод подводимого напряжения конденсатор С заряжается через диод до напряжения U_m, затем разряжается через сопротивление R и внешнюю цепь. В схеме вольтметра с закрытым входом выполняются те же соотношения между параметрами, как и в схеме

Рис. 2.8 . Амплитудный детектор с закрытым входом

а – схема; б, в – временные диаграммы

с открытым входом, т.е. R_i << R и RC >> T, вследствие чего среднее значение напряжения на конденсаторе U_со близко к U_m. Средний ток диода i_o равен среднему току, протекающему через сопротивление. Напряжение на диоде слагается из постоянного напряжения на конденсатореU_со и входного напряжения и в установившемся режиме имеет такую же форму, как и в схеме с открытым входом. Поэтому для данной схемы вольтметра процесс детектирования в основном аналогичен процессу в вольтметре с открытым входом. Но имеются и отличия. Так, например, в схеме вольтметра с закрытым входом сопротивление источника измеряемого напряжения R_н не влияет на результат измерения, так как независимо от его величины конденсатор заряжается до напряжения U_m. Также имеются коренные отличия и в измерении величины напряжений с постоянной составляющей, (рис. 2.8, в). Амплитудные вольтметры, предназначенные для измерения синусоидальных напряжений, обычно градуируются в действующих значениях. При использовании в качестве выходных приборов магнитоэлектрической системы шкала вольтметра будет линейной.