книги из ГПНТБ / Соркин И.М. Основы радиоизмерительной техники

2-4. 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