книги из ГПНТБ / Александров В.С. Электронные гальванометры постоянного тока

тается неизменным только в определенных пределах изменения входного тока. Входные зажимы усилителя тока, соответствующие синфазному и про-

Рис. 1-6. Внешний вид источников тока

тивофазному выходным сигналам, на схеме обозначают соответствующими знаками (+ ) или (—).

В отличие от источников тока, идеальный источник напряжения имеет на своих выводах напряжение, не зависящее от величины и характера на­ грузки в цепи, подключенной к этим выводам. Ток через выводы идеального

Независимость напряжения источника от нагрузки фактически означает, что его внутреннее сопротивление равно нулю. Такой источник также в со­ стоянии отдавать во внешнюю цепь неограниченную мощность. На электри­ ческих схемах он условно изображается в виде генератора без разрыва цепи с одной стрелкой (рис. 1-7, а). При коротком замыкании цепи с источником напряжения ток бесконечно возрастает, поэтому такой режим недопустим. Реальный источник напряжения должен иметь внутреннее сопротивление,

20

которое ограничивает ток через его выводы (рис. 1-7, б). Реальные источники напряжения по принципу действия делятся на электромашинные, электро­

химические, термоэлектрические и другие.

Идеальный усилитель напряжения имеет следующие особенности:

1) бесконечно большое входное сопротивление, благодаря чему ток в его

входной цепи равен нулю; ?) равное нулю выходное сопротивление и поэтому его выходное напря­

жение не зависит от нагрузки; 3) выходное напряжение прямо пропорционально входному напряже­

нию: ц2 = K HUf

Реальный усилитель напряжения (рис. 1-7, в) отличается от идеального тем, что его входное сопротивление не бесконечно велико, а выходное сопротивление не равно нулю. Коэффици­ ент передачи по напряжению реаль­ ного усилителя остается неизменным только в определенных пределах из­ менения входного напряжения.

Кусилителям тока относятся

1-5. Электронные гальванометры непосредственной оценки с образцовыми резисторами

Простейший электронный гальванометр постоянного тока со­ стоит из усилителя тока (или преобразователя входной ток — вы­ ходное напряжение) и прибора магнитоэлектрической системы

(рис. 1-8). Ток / в, протекающий через магнитоэлектрический при­ бор, определяется выражением

= ÖBX+ 0цых+ $і>

21

ента ' передачи выходной цепи; б; = АK-JKi — нестабильность ко­ эффициента усиления усилителя тока.

Основным недостатком простейшей схемы гальванометра яв­ ляется зависимость погрешности от коэффициента усиления, ко­ торый может меняться в довольно широких пределах. Входная

прежде всего относятся: сниже­ ние погрешности, повышение входной проводимости и увеличение быстродействия. Все способы повышения метрологических харак­ теристик электронных гальванометров основаны на применении

Рис. 1-9. Автокомпенсационныіі гальванометр с уси­ лителем тока: а — структурная схема; б — эквива­ лентная схема

обратной связи. Изменение характеристик гальванометра зависит от глубины обратной связи.

При построении автокомпенсационных гальванометров наиболь­ шее распространение получили схемы с параллельной отрицатель­ ной обратной связью и измерением выходного тока или напряже­ ния. В некоторых случаях применяется положительная обратная связь (например, для повышения быстродействия).

В простейшем автокомпенсационном гальванометре исполь­ зуется усилитель с полной обратной связью по току. Структурная схема такого автокомпенсатора приведена на рис. 1-9, а, а его эк­ вивалентная схема на рис. 1-9, б. Уравнение для узлового потен­ циала эквивалентной схемы имеет вид

( 1-8)

22

Из уравнения (1-8) получаем коэффициент передачи автокомпен­ сатора по току и его входную проводимость:

При достаточно большом коэффициенте усиления по току (/С;>1)

получим / 2 ~ — Іх, т. е. в такой схеме выходной ток повторяет входной. Этот режим непригоден для измерения малых токов, так как требует применения на выходе усилителя магнитоэлектричес­ ких приборов высокой чувствительности. Применение же обратной

Рис. 1-10. Автокомпенсационный гальванометр с непол­ ной компенсацией: а — структурная схема; б — эквива­

лентная схема

связи позволяет существенно увеличить входную проводимость и устранить влияние нестабильности коэффициента усиления на по­ грешность прибора. Благодаря глубокой обратной связи быстро­ действие гальванометра определяется только быстродействием вы­ ходного магнитоэлектрического прибора.

Для построения высокочувствительных гальванометров при­ меняется режим неполной компенсации, при котором только часть

выходного тока І2 подводится обратно во входную цепь. Структур­

ная схема автокомпенсатора тока с неполной компенсацией пока­ зана на рис. 1-10, а, а его эквивалентная схема на рис. 1-10, б. Со­ ставляя уравнения для узловых напряжений схемы рис. 1-10, б, получим

1 - ÜXY'K+ t/2 ( г ; + Y"K) = —/С./х-

Решая систему уравнений (1-11) относительно узловых напряже­ ний і)1 и Ü2 при условии Y x > Yk, найдем

23

где ßi — / к// а = Y J Y K— коэффициент обратной связи то току. Из уравнений (1-12) определим коэффициент передачи автоком­

ределяется коэффициентом некомпенсации, равным отношению не­ компенсированного тока 11 на входе усилителя к току / ѵисточника сигнала

стей коэффициентов, некомпенсации усиления и обратной связи,

При высокоточном и стабильном делителе тока в цепи обратной связи 8|) = 0 и 0а = 6К/(1 + Kißi). Применение в делителе микропроволочных резисторов, имеющих погрешность до 0,5% и номи­ налы до 10° Ом, ограничивает измерение малых токов величиной

ІО-13 А. При измерении токов менее ІО-13 А применяют непрово­ лочные резисторы типов КВМ и КЛМ, имеющие величину ІО8 —• 1013 Ом и погрешность 10% для сопротивлений до 1013 Ом. Тем­

24

пературный коэффициент их сопротивления составляет 0,2% на 1° С. При изменении напряжения от 10 до 100 В номинал резисто­ ров до 1011 Ом может меняться на 5%, а резисторов значений 1011— ІО13 Ом на 10%. Временная нестабильность этих резисторов составляет 2% в год для резисторов до 1011 Ом и 5% в год для ре­ зисторов до 1013 Ом. С целью повышения стабильности резисторы подвергают искусственному старению. Для снижения погрешности может применяться периодическая калибровка резисторов. Од­ нако, несмотря на возможность отбора и тренировки резисторов, погрешность измерения приборами, содержащими такие резисторы, как правило, не ниже (1—3) %.

Для повышения точности и чувствительности автокомпенсационных гальванометров целесообразно использовать усилители тока с большим коэффициентом усиления Д,-. Достоинством автокомпенсационной схемы с неполной компенсацией является ее способ­ ность в (1 -|- К $ і) раз уменьшать погрешность от изменения ко­ эффициента усиления К і- Так, например, при Д,.рг = 104 и бк = = 100% относительная погрешность измерения составит всего 0,01%. Все это обеспечивает малую зависимость показаний такой схемы от нестабильности напряжения источников питания, старе­ ния элементов схемы и т. п.

Снижение погрешности автокомпенсаторов тока ограничивается собственными шумами усилителя тока и нестабильностью резисторов делителя тока в цепи обратной связи. Если делитель тока выполнен из активных сопротивлений г'к и г , то коэффициент обратной связи

Погрешность автокомпенсатора от звена обратной связи

где б , и б „ — относительные погрешности резисторов делителя

Рассмотрим быстродействие автокомпенсационного гальвано­ метра с неполной компенсацией. Если учесть, что резисторы дели­ теля тока имеют собственные емкости, то операторное выражение выходного тока в соответствии с (1-13) будет иметь вид

25

26

Из уравнений (1-20) определим коэффициент передачи автоком­ пенсатора тока

Как видно из выражения (1-21), внутренняя проводимость ис­ точника сигнала и выходная проводимость усилителя несколько снижают коэффициент передачи. Однако при большом коэффициенте

Рис. 1-13. Автокомпенсацнонпый гальванометр с уси­ лителем напряжения: а — структурная схема; б — эквивалентная схема

Перейдем к рассмотрению автокомпенсаторов тока с усилителями напряжения. Простейшая схема такого автокомпенсатора приве­

Для расчета основных характеристик автокомпенсатор а рассмот­ рим эквивалентную схему рис. 1-13, б. Преобразуя источник на­

Из уравнения (1-22) определим коэффициент передачи автоком­

Если входное сопротивление и коэффициент усиления усили­

теля достаточно велики ( Ц ж О , К и 1), то коэффициент передачи автокомпенсатора в соответствии с (1-23) зависит только от прово­

димости цепи обратной связи; Д а ^ — 1/УК = — ZK.

27

Входную проводимость автокомпенсатора можно найти из урав­ нения (1-22):

При большом коэффициенте усиления (/<„/$> 1) входная прово­ димость полностью определяется проводимостью цепи обратной

связи: YBX ^ YKKU.

Быстродействие автокомпенсатора зависит от входной прово­ димости Пвх. Для определения быстродействия найдем переходную

= CBX/gBX при большом коэффициенте усиления почти полностью

ной связи.

Представим нормированную частотную характеристику авто­

= — arctg сотк — нормированная фазо-частотная характеристика автокомпенсатора.

График амплитудно-частотной характеристики автокомпенса­ тора в логарифмическом масштабе представлен на рис. 1-14, а. На сравнительно низких частотах, для которых выполняется условие

28

со <К 1/тк, амплитудно-частотная характеристика практически не зависит от частоты (Ga (со) — 1). С повышением частоты до со0 = = 1/тк амплитудно-частотная характеристика уменьшается на ЗдБ. На сравнительно высоких частотах (со>1/тк) амплитудно-частот­ ная характеристика убывает по закону Ga (со) — 1/сот1С. При из­ менении частоты на один порядок амплитудно-частотная характе-

Рис. 1-14. Графики амплитудно-частотной (а) и фазо­ частотной (б) характеристик компенсационного гальва­ нометра

ристика убывает на 20 дБ (т. е. наклон амплитудно-частотной ха­ рактеристики в области высоких частот составляет 20 дБ/дек или 6 дБ/окт). Полоса частот сигнала, пропускаемых автокомпенсато­ ром на уровне 3 дБ, /^дБ = 1/2ятк, а время нарастания tr = 2,2 тк.

Рис. 1-15. Гальванометр с корректирующим звеном в цепи отрицательной обратной связи: а — структурная схема; б — эквивалентная схема

График фазо-частотной характеристики автокомпенсатора сра (со) в полулогарифмическом масштабе приведен на рис. 1-14, б. На ча­ стоте /3дБ фазовый сдвиг сра (а„) = — 45°.

Рассмотрим схему автокомпенсатора тока с усилителем напря­

жения и корректирующим звеном |3„ в цепи обратной связи, которая показана на рис. 1-15, а. Эквивалентная схема автокомпенсатора

приведена на рис. 1-15, б. Корректирующее звено ß„ может вклю­

29