книги из ГПНТБ / Соркин И.М. Основы радиоизмерительной техники
.pdf2-4. И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е ТР А Н С Ф О Р М А Т О Р Ы Т О К А
Измерительные трансформаторы тока применяются для расширения пределов измерений токов высокой ча стоты. Наибольшее практическое применение измери тельные трансформаторы тока находят при измерении тока в антенне. В этом случае первичной обмоткой транс
форматора является провод антенны, |
|
|
|||||
проходящий через сердечник с намо |
|
|
|||||
танной |
на |
нем |
вторичной |
обмоткой |
|
|
|
(рис. 2-11 ). К вторичной обмотке под |
|
|
|||||
ключается |
термоэлектрический |
при |
|
|
|||
бор. |
|
|
|
|
|
|
|
Найдем соотношение между изме |
рис 2-11. Измери- |
||||||
ряемым током i, проходящим по пер- |
|||||||
вичной обмотке, и током вторичной |
тельный |
трансфор- |
|||||
обмотки |
7, |
отсчитываемым прибо- |
матор |
тока, |
|||
ром. |
|
|
|
|
|
|
|
Измеряемый ток 'индуктирует во вторичной обмотке |
|||||||
э. д. с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е = wMi, |
|
|
.(2-30) |
|
где со — угловая |
частота |
тока; |
М — взаимоиндуктив- |
ность между обмотками трансформатора. Ток во вторич ной обмотке
о |
Mi |
(2-31) |
|
fr * + |
{o>Lf |
||
’ |
|||
где г — активное сопротивление |
вторичной цепи; L — |
||
индуктивность вторичной обмотки. |
Если активное сопротивление вторичной цепи мало
по сравнению с индуктивным, т. е. |
|
г a>L, |
(2-32) |
что обычно имеет место на практике, то (2-31) можно упростить и
/ = - ^ -I. |
(2-33) |
Таким образом, показание термоэлектрического прибора во вторичной цепи трансформатора будет пропорцио нально измеряемому току в первичной цепи и прибор
39
может быть отградуирован в единицах измеряемого то ка. Из (2-33) также следует, что в диапазоне частот, в котором имеет место неравенство (2-32), показание прибора практически не зависит от частоты.
2-5. ВОЛЬТМЕТРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ
ВЫПРЯМИТЕЛЕМ
Вольтметры с полупроводниковым выпрямителем ши роко применяются в радиоизмерительной технике для измерения напряжения сигнала и шумов на выходе ра диоприемных устройств в диапазоне звуковых частот.
Принцип действия вольтметра с полупроводниковым выпрямителем состоит в том, что измеряемое перемен ное напряжение выпрямляется полупроводниковым вы прямителем, а выпрямленный ток измеряется магнито-
Контактное поле
Электронный |
О О О О Дырочный |
полупроводник' |
полупроводник |
о ОООо о в
о о о о
п -р переход
Рис. 2-12. Полупроводниковый выпрямитель.
электрическим микроамперметром, шкала которого гра дуируется непосредственно в единицах измеряемого пе ременного напряжения. В качестве полупроводниковых выпрямителей наибольшее применение в радиоизмери тельной технике получили меднозакисные или купроксные и германиевые выпрямители. По сравнению с лам повыми полупроводниковые выпрямители обладают ря дом преимуществ; они не требуют напряжения накала, отличаются малыми габаритами, значительной механи ческой прочностью, более длительным сроком службы и простотой технологического процесса производства.
Полупроводниковый выпрямитель состоит из дыроч ного и электронного полупроводников, разделенных п-р- переходом — переходным слоем (рис. 2-12). В переход ном слое образуется контактное поле, направленное от электронного полупроводника к дырочному. Это поле препятствует рекомбинации электронов и дырок через
40
границу раздела полупроводников и обусловливает не одинаковую проводимость переходного слоя для различ ных направлений тока.
Если к полупроводниковому выпрямителю приложить напряжение, направленное против контактного поля, то сопротивление переходного слоя уменьшится. При этом будет происходить рекомбинация электронов и дырок через границу раздела, т. е. ток будет значительным. Этот ток в направлении малого сопротивления переход ного слоя называется прямым. Если напряжение прило-
Рис. 2-13. Вольт-амперная характеристика полупроводникового выпрямителя.
жить в обратном направлении, так чтобы оно усилива ло контактное поле, то сопротивление переходного слоя увеличится и ток будет малым. Этот ток в направлении, соответствующем большому сопротивлению переходного слоя, называется обратным.
На рис. 2-13 показана вольт-амперная характеристи ка полупроводникового выпрямителя, несимметричность которой обусловливает его выпрямительные свойства. Если к такому выпрямителю приложить переменное на пряжение, то токи, возникающие при положительном и отрицательном полупериодах, будут иметь различную величину, в результате чего образуется постоянная со ставляющая выпрямленного тока А/.
Выпрямительный эффект полупроводникового выпря мителя характеризуется коэффициентом выпрямления.
41
Коэффициент выпрямления представляет собой отноше ние прямого тока к обратному:
(2-34)
С повышением окружающей температуры возрастает как прямой ток, так и обратный, причем вследствие то го, что обратный ток возрастает в большей степени, чем прямой, коэффициент выпрямления уменьшается. Коэф фициент выпрямления полупроводникового выпрямителя уменьшается также с возрастанием частоты из-за шун тирующего действия емкости между его электродами, обусловливаемой наличием переходного слоя.
Схемы вольтметров с полупроводниковым выпрямителем
При рассмотрении схем вольтметров с полупровод никовым выпрямителем с достаточной для практических целей точностью можно считать, что полупроводнико
Рис. 2-14. Простейшая |
Рис. 2-15. Схема с обратным |
схема вольтметра. |
выпрямителем. |
вый выпрямитель является идеальным с конечным пря мым сопротивлением и обратным сопротивлением, рав ным бесконечности. Иными словами, считается, что вы прямитель в одном направлении проводит ток, а в дру гом направлении не проводит.
П р о с т е й ш а я с х е м а в о л ь т м е т р а показана на рис. 2-14. Недостаток схемы состоит в том, что по стоянная составляющая выпрямленного напряжения за мыкается через внешнюю измеряемую цепь, что приво дит к зависимости показаний прибора от ее сопротив ления. Кроме того, при использовании меднозакисного выпрямителя — купрокса — возникает опасность его пробоя измеряемым напряжением, поскольку напряже ние пробоя купрокса — порядка 5 в. Таким образом, дан ная схема может быть использована лишь для измере ния малых напряжений до 5 в. Включение последова-
42
тельно с купроксом добавочного сопротивления с целью расширения пределов измерений вольтметра не устра няет опасности пробоя обратным напряжением.
С х е м а |
с о б р а т н ы м |
в ы п р я м и т е л ь н ы м |
э л е м е н т о м |
содержит два |
выпрямителя (рис. 2-15). |
Один из них включен последовательно с микроампер
метром |
и |
пропускает |
|
|
||
ток в прямом направ |
|
|
||||
лении, а второй, шун |
|
|
||||
тирующий |
эту |
цепь, |
|
|
||
пропускает ток в об |
|
|
||||
ратном |
направлении. |
|
|
|||
При этом через до |
|
|
||||
бавочное |
сопротивле |
|
б) |
|||
ние Дд ток |
будет |
про |
|
|||
ходить |
уже |
в |
течение |
|
|
|
обоих |
полупериодов, |
|
|
|||
создавая на нем па |
|
|
||||
дение |
.напряжения. |
|
|
|||
Уменьшение обратного |
|
|
||||
напряжения |
на |
вы |
|
|
||
прямительных |
элемен |
|
|
|||
тах устраняет |
возмож |
|
|
|||
ность их пробоя. |
|
|
|
|||
Эта |
схема, |
так же |
Рис. 2-16. Мостовые схемы вольтмет |
|||
как и предыдущая, от |
ров с полупроводниковым выпрями |
|||||
носится |
к |
однополупе- |
телем. |
б —-параллельный |
||
ip йодным, |
в |
которых |
а — симметрический мост; |
|||
мост; в — последовательный |
мост; г — схема |
|||||
выпрямление тока, про |
удвоения напряжения. |
ходящего через микроамперметр, производится на протяжении одного полупе-
риода измеряемого переменного напряжения. Для этого
случая показание прибора выразится формулой |
|
||
^ср— |
V 2 |
U |
(2-35) |
ГС |
Г |
|
где / ср—'Показание прибора, соответствующее среднему
значению выпрямленного тока; |
U — эффективное значе |
|
ние измеряемого |
напряжения; |
г*— прямое сопротивле |
ние выпрямителя; R — сопротивление микроамперметра; |
||
Дд — добавочное |
сопротивление. |
|
М о с т о в ы е |
с х е м ы вольтметров с полупроводни |
ковым выпрямителем приведены на рис. 2-16. Вьгпрями-
43
Тель собран в виде: а) симметричного; б)- параллель ного; в) последовательного моста и г) схемы удвоения
напряжения. |
являются |
двухполупериодными, |
|||
Мостовые схемы |
|||||
в которых |
выпрямление |
измеряемого |
переменного на |
||
пряжения |
происходит |
в |
течение |
обоих |
полупериодов. |
График |
выпрямленного напряжения для первых трех |
|
схем приведен на рис. 2-17,а, а для схемы |
удвоения — |
|
на рис. |
2-17,6. Для схемы симметричного |
моста пока- |
Рис. 2-17. Выпрямление напряжения в мостовых схемах.
зание прибора / ср в зависимости от измеряемого пере менного напряжения U выразится:
7ср-~ 0’9 27г Ь г |
(2-36) |
||
где U — эффективное значение измеряемого напряжения; |
|||
^ — прямое сопротивление выпрямителя; |
R — сопротив |
||
ление микроамперметра. |
|
||
Для схемы параллельного моста |
|
||
Г _ |
0,Ш(2R0 + R) |
(2-37) |
|
ср~ я.(Яо+2п) |
|||
|
|||
где R0 — сопротивление |
плеча моста. |
|
|
Для схемы последовательного моста |
|
||
т |
0,9U(/?о+г |
(2-38) |
|
icp ^ /? 0(2г;+ 2а д „ )- |
|||
|
Схема удвоения напряжения, обладающая большей чув ствительностью, чем предыдущие схемы, используется обычно при измерении малых напряжений. При условии R + Rk > Гг прибор будет давать показание, соответ ствующее удвоенному амплитудному значению измеряе мого напряжения
44
ay 2 и / op R-\-Rn
где U — эффективное значение измеряемого Яд—добавочное сопротивление.
(2-39)
напряжения;
Погрешности вольтметров с полупроводниковым выпрямителем
О с н о в н а я п о г р е ш н о с т ь . Суммарная погрешность пока заний вольтметра с полупроводниковым выпрямителем складывает ся из основной погрешности и дополнительных погрешностей.
в |
Основная погрешность определяется при градуировке прибора |
|||
нормальных |
условиях синусоидальным напряжением |
частотой |
||
50 гц ±2% с коэффициентом искажений не более 2%. |
|
|||
|
При этом основная погрешность будет складываться из следую |
|||
щих составляющих погрешностей: |
1) погрешность градуировки уь |
|||
2 ) |
погрешность |
микроамперметра |
Уг; 3) погрешность от |
изменения |
характеристик выпрямителей уз.
Если принять ориентировочно, что погрешность y i= l% , погреш ность у2='1 ,б% и погрешность уз=3%, то .суммарную основную по грешность следует рассматривать как геометрическую сумму состав ляющих .погрешностей (поскольку они носят случайный характер и могут частично компенсироваться)
ТГ= ]/" Y? + т! + Тз= 3>5%
Дополнительными погрешностями являются следующие: а) тем пературная погрешность; б) частотная погрешность; в) погрешность,
обусловливаемая формой |
кривой измеряемого напряжения. |
с полу |
Т е м п е р а т у р н а я |
п о г р е ш н о с т ь . В вольтметрах |
проводниковым выпрямителем при повышении температуры умень шаются коэффициент выпрямления и величина сопротивления вы прямительных элементов, в результате чего возникает температур ная погрешность. Для сведения ее к минимуму в схемах вольтмет ров предусматривается обычно температурная компенсация.
В вольтметрах на малые пределы измерений с повышением тем пературы влияние на показания уменьшения сопротивления выпря мителей преобладает над понижением коэффициента выпрямления. Уменьшение сопротивления выпрямительного моста приводит к уменьшению общего сопротивления цепи, вследствие чего вольт метр дает завышенные показания. В этом случае температурная компенсация осуществляется последовательным включением доба вочного сопротивления, имеющего положительный температурный коэффициент изготовляемого обычно в виде катушки из медной про волоки с включенным последовательно сопротивлением из мангани на (рис. 2-18). Таким образом, величина общего сопротивления вольтметра с изменением температуры поддерживается постоянной.
В вольтметрах на большие пределы измерений температурная погрешность с повышением температуры определяется в основном уменьшением коэффициента выпрямления, так как сопротивление
45
выпрямительного моста мало по сравнению с добавочным сопротив лением. В этом случае вольтметр будет давать заниженные пока зания и компенсация осуществляется шунтированием моста сопро тивлением с положительным температурным коэффициентом (рис. 2-19). При повышении температуры сопротивление шунта воз растает, а выпрямительного моста уменьшается; поэтому в него ответвляется более значительная часть переменного тока, чем и компенсируется уменьшение коэффициента выпрямления.
Рис. 2-18. Температур |
Рис. 2-19. Температурная |
|
ная компенсация в |
компенсация в |
вольтмет |
вольтметрах с полу |
рах с полупроводниковым |
|
проводниковым выпря |
выпрямителем |
на боль |
мителем на малые пре |
шие пределы |
измерений. |
делы измерений. |
|
|
Количественно согласно ГОСТ 1845-59 для вольтметров с по лупроводниковым выпрямителем, предназначенных для работы в закрытых сухих отапливаемых помещениях, температурная по грешность, вызванная отклонением температуры окружающего воз-
Рис. 2-20. Частотная |
|
||
компенсация |
вольт |
Рис. 2-21. Частотная компен- |
|
метра с |
полупровод |
||
никовым |
выпрямите |
сация^вольтметра с полупро |
|
лем. |
|
водниковым выпрямителем. |
духа от нормальной на каждые 10° С, |
не должна |
превышать основ |
ной погрешности прибора. |
вольтметра |
с полупроводни |
Ч а с т о т н а я п о г р е ш н о с т ь |
ковым выпрямителем' обусловливается тем, что с повышением ча стоты часть измеряемого тока ответвляется через емкости выпря
мителей, что уменьшает показания |
прибора. |
Для того чтобы свести |
к минимуму зависимость показаний |
прибора |
от частоты, применяет |
46
ся частотная компенсация. С этой целью в мостовой схеме часть добавочного сопротивления шунтируется емкостью (рис. 2-20). При возрастании частоты общее сопротивление вольтметра уменьшается; ток, проходящий через вольтметр, возрастает, что компенсирует ответвление части тока через емкости выпрямительного моста.
На рис. 2-21 показана схема, в которой уменьшение показаний прибора с повышением частоты компенсируется включением индук
тивности в цепь, |
шунтирующую выпрямительный |
мост прибора. |
|||
С |
возрастанием частоты |
сопротивление этой |
ветви |
возрастает и |
|
в |
выпрямительный |
мост |
ответвляется больший |
ток, |
компенсирую |
щий действие емкостей выпрямителей.
Согласно ГОСТ 1845-59 у вольтметра с полупроводниковым вы прямителем, предназначенного для работы при определенной номи нальной частоте, изменение показаний прибора, вызванное отклоне нием частоты от номинальной на ± 1 0 %, не должно превышать его основной погрешности.
П о г р е ш н о с т ь , о б у с л о в л и в а е м а я ф о р м о й к р и в о й напряжения, вызывается тем, что выпрямительные приборы в боль шей части шкалы дают показания, пропорциональные средним зна чениям измеряемых напряжений, за исключением начального уча стка шкалы, где вследствие квадратичности характеристики пока зания пропорциональны эффективным значениям. Поскольку шкала прибора градуирована в эффективных значениях синусоидального напряжения, погрешность, обусловливаемая формой кривой, будет тем больше, чем больше измеряемое напряжение отличается по сво
ей форме от синусоидального. |
этой погрешности |
для |
напряжений |
|
Количественно |
величина |
|||
с коэффициентом |
нелинейных |
искажений, не превышающим 1 0 %, |
||
может быть ориентировочно |
оценена величиной |
этого |
коэффици |
|
ента. |
|
|
|
|
2-6. МНОГОПРЕДЕЛЬНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ
ИКОМБИНИРОВАННЫЕ ПРИБОРЫ
Ввыпрямительных приборах зависимость протекаю щего через прибор тока от приложенного измеряемого напряжения является нелинейной. Она определяется
свойствами выпрямителя и величиной подключенного к нему нагрузочного сопротивления. Поэтому, для того чтобы выполнить многопредельный прибор с одной шка лой, динамическая характеристика выпрямителя для разных пределов измерений должна оставаться неиз менной. Этому требованию удовлетворяет схема много предельного вольтметра (рис. 2-22), в которой постоян ство нагрузочного сопротивления в цепи выпрямителя обеспечивается тем, что с увеличением сопротивления R i для больших пределов измерений сопротивление R2 со ответственно уменьшается.
Вольтметры с полупроводниковым выпрямителем на большие пределы измерений могут выполняться по схе-
47
ме с одним последовательным добавочным сопротивле нием (рис. 2-23). Так как для больших значений изме ряемого напряжения добавочное сопротивление будет значительно больше сопротивления выпрямителя и ми кроамперметра, то показание вольтметра будет опре деляться величиной добавочного сопротивления. При этом характеристика выпрямителя будет практически линейной и шкала прибора равномерной для всех пре делов измерений.
При регулировке и проверке различной аппаратуры необходимо проводить измерения постоянных и перемен
щенная |
схема |
Рис. 2-23. Многопредельный |
многопредель |
||
ного |
вольт- |
вольтметр с линейной харак» |
метра. |
теристикой. |
ных токов, напряжений и сопротивлений в различных участках схемы. Подобного рода разнообразные изме рения удобнее всего производить посредством одного комбинированного прибора, имеющего обычно несколько пределов измерений тока, напряжения и сопротивления.
При измерениях на переменном токе действует схе ма с выпрямителями. При измерениях на постоянном токе последние отключаются переключателем и микро амперметр постоянного тока включается непосредствен но в измеряемую цепь. При измерении сопротивления микроамперметр включается в схему омметра. Принци пиальная схема такого универсального комбинирован ного прибора показана на рис. 2-24.
Комбинированный прибор представляет собой универсальный тестер типа ТТ-3, предназначенный для измерения постоянного тока, постоянного и переменного напряжения и сопротивления. Прибор
имеет 25 пределов измерений, переключаемых с помощью переклю чателя.
48