Самостійна робота.

Вивчення та дослідження подільників напруги

Тема: Вивчення та дослідження подільників напруги 

Мета:

- ознайомитись з типами та схемами подільників постійної та змінної наруги та їх призначенням;

- дослідити вплив  параметрів подільника на вихідну напругу.

Теоретична частина

1. Подільник напруги – лінійна електронна схема, напруга на виході якої (U_вих) складає частину напруги на вході (U_вх).

Резистивні подільники напруги — це вимірювальні перетворювачі, які зменшують напругу в задану кількість разів.

Найпростіший резистивний подільник напруги складається з двох послідовно увімкнених резисторів, рис. 1.

Рис. 1. Схема резистивного подільника напруги

Згідно із законом Ома зв'язок між вхідною і вихідною напругою, визначається за формулою:

U_вих= U_вх R₂/( R₁ + R₂). (1)

Змінюючи значення R₁ й R₂, можна змінювати падіння напруги на цих опорах.

Основною метрологічною характеристикою подільників напруги є коефіцієнт (передачі) ділення К, який дорівнює відношенню вхідної напруги U_вх до вихідної U_вих, тобто K_U.=U_вх/_Uвих.

Коефіцієнт передачі за напругою пропорційний опору, на якому виміряються напруга, і обернено пропорційний сумі двох опорів подільника, не залежить від вхідної напруги й визначається тільки параметрами елементів (опорів), з яких зібране коло, а також від способу їхнього з'єднання.

Резистивні подільники напруги можуть відтворювати одне значення коефіцієнта ділення (рис. 1) або кілька значень (рис. 2).

Рис. 2. – Схема резистивного подільника напруги з декількома коефіцієнтами ділення

На високих частотах починає проявлятися індуктивність резисторів подільника. Для зменшення залежності коефіцієнта ділення подільника напруги від частоти, паралельно до резисторів подільника вмикають конденсатори з таким розрахунком, щоб сталі часу τ₁=R₁·C₁ і τ₂=R₂·C₂ були однаковими: τ₁=τ₂; R₁·C₁= R₂·C₂, рис. 3.

Рис. 3. – Схема резистивного подільника напруги з конденсаторами

2. Ємнісні та індуктивні подільники напруги призначені для забезпечення високого вхідного опору на постійному струмові (рис. 4). Частіше всього ємнісні подільники напруги застосовуються для розширення діапазону вимірювання електростатичних приладів. На надвисоких частотах проявляються втрати в діелектрику конденсаторів, що призводить до похибок ділення.

Рис. 4. – Схема ємнісного подільника напруги

Дільник постійної напруги на конденсаторах найчастіше застосовують у багаторівневих інверторах напруги, які широко використовуються як на електртяговому транспорті, так і в інших напрямках силової електроніки.

Індуктивні подільники змінної напруги виконуються на тороїдальних магнітопроводах з високою магнітною проникністю, на які навиваються обмотки. Обмотки можуть вмикатися за трансформаторною або автотрансформаторною схемами. Широко використовуються подільники змінної напруги за автотрансформаторною схемою (автотрансформатори).

3. Імпульсні подільники напруги складаються з електронного ключа і фільтра нижніх частот (рис. 5). Ключ упродовж часового інтервалу τ замикається і напруга надходить на вхід фільтра. Процес періодично повторюється з періодом T. Таким чином, на вхід фільтра поступають імпульси з періодом повторення Т. Фільтр нижніх частот виділяє постійну складову послідовності імпульсів, яка прямопропорційна вхідній напрузі і залежить від співвідношення τ /T, тобто

Рис. 5. – Імпульсні подільники напруги

Подільники напруги використовуються для регулювання і вимірювання рівня напруги, ввімкнення датчиків з уніфікованим вихідним сигналом напруги 0...10В до вимірювальних пристроїв, які сприймають уніфікований сигнал напруги 0...1В.

Подільники можуть використовуватись у вторинній апаратурі систем автоматичного контролю, регулювання та керування технологічними процесами в різних галузях промисловості, а також диспетчерських, телемеханічних інформаційно-вимірювальних комплексах тощо.

Завдання 1. Дослідити вплив величини опору R₁ на коефіцієнт передачі за напругою при R₂ = const.

1. Вибрати подільник за схемою, наведеною на рис. 1 методичних вказівок.  Вибрати R₂ = 2 кОм, U₁ = 1 В.

3. Використовуючи закон Ома самостійно записати формулу для падіння напруги U_R1 на опорі R₁, аналогічну формулі (1), яка наведена в методичних вказівках до роботи.

4. Розрахувати напруги  U_R1  при різних значеннях R₁. Результат розрахунків записати в табл.

5.  Використовуючи отриману формулу розрахувати вихідні напруги  подільника U₂  при різних значеннях опору R₁, зазначених у табл. 1. Результат розрахунків записати в табл. 1.

 

Табл. 1. Залежність K_U  від  R₁ при  R₂ = 2 кОм

R1, кОм	0.1	0.2	0.5	1	2	4	8
UR1,В
U2, В
KU

 

Підрахувати значення коефіцієнта передачі K_U =U₁/U₂ при заданих значеннях R₁ і записати в табл.1.

6. Побудувати залежності: U_R1 = f(R1), U_R2 = f(R1), K_U = f(R1) при R2 = const.

7. Оцінити вплив величини R₁ на коефіцієнт передачі за напругою K_U.

Завдання 2. Дослідити вплив величини R₂ на коефіцієнт передачі за напругою при R₁ = const.

1. Вибрати R₁ = 1 кОм.

2. Розрахувати величину напруги  U_R1  і вихідної напруги  U₂  при різних значеннях R₂, зазначених у табл. 2. Результат розрахунків занести в табл. 2.

 

Табл. 2. Залежність K_U  від  R₂ при  R₁ = 1 кОм.

R2, кОм	0.1	0.2	0.5	1	2	4	9
UR1, В
U2, В
KU

 

3. Розрахувати значення коефіцієнта передачі K_U при заданих значеннях R₂ і записати в табл. 2.

4. Побудувати залежності: U_R1 = f(R₂), U_R2 = f(R₂), K_U = f(R₂) при R₁ = const.

Оцінити вплив величини R₂ на коефіцієнт передачі за напругою K_U.

Контрольні запитання:

1. Яке призначення подільників напруги?

Подільники напруги використовуються для регулювання рівня сигналу, для зміщення активних пристроїв в підсилювачах, і для вимірювання напруги. Вимірювальні мости і мультиметри мають у своєму складі дільники напруги.

2. Які бувають подільники напруги?

-Індуктивні подільники змінної напруги

-Ємнісні подільники напруги

-Імпульсні подільники напруги

3. Чому при збільшенні опору R₁ коефіцієнт передачі зменшується (пояснити за допомогою законів Кірхгофа)?

4. Чому при збільшенні опору R₂ коефіцієнт передачі збільшується (пояснити за допомогою законів Кірхгофа)?

5. При яких значеннях R₁ й R₂ K_u = 0,5?