2.3 Измерительные преобразователи переменного тока в постоянный

Остановимся сначала на выпрямительных измерительных преобразователях. Они предназначаются для выпрямления (детектирования) переменного тока, превращая его в пульсирующий ток, среднее значение которого представляет собой выходную величину и может быть пропорционально пиковому (амплитудному), среднеквадратическому или средневыпрямленному значениям входной величины. В соответствии с этим сами преобразователи классифицируются следующим образом: по параметру переменного напряжения U_x~, которому соответствует напряжение выходной цепи детектора: преобразователь пикового значения, преобразователи среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения; по схеме входа: преобразователи с открытым и закрытым входом по постоянному напряжению; по характеристике преобразования: линейные и квадратичные преобразователи.

Преобразователь пикового значения - это преобразователь, выходное напряжение которого непосредственно соответствует U_max или U_min (U_в или U_н). Преобразователь пикового значения относится к линейным, и может иметь открытый (рисунок 2.1, а) или закрытый (рисунок 2.1, б) вход по постоянному напряжению.

Принцип работы преобразователей пикового значения напряжения заключается в заряде конденсатора C через диод V до максимального (пикового) значения U_x~, которое затем запоминается, если постоянная времени разряда конденсатора C (через резистор R) значительно превышает постоянную времени заряда. Полярность включения диода V определяет соответствие выходного напряжения U_x= либо U_max (U_в), либо U_min(U_н), а возможные пульсации U_x= сглаживаются цепочкой R_ф, C_ф. Если детектор имеет открытый вход, U_x= определяется суммой`U и U_в (U_н), т.е. соответствует U_max (U_min). При закрытом входе U_x= соответствует U_в (U_н). Если же U_x~ не содержит постоянной составляющей, то схемы, изображенные на рис.2.1,а,б, идентичны, а U_x= соответствует U_m. В некоторых случаях применяют двухполупериодные пиковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значение размаха напряжения.

Рисунок 2.1 Схемы преобразователя пикового значения напряжения:

а) - с открытым входом; б) - с закрытым входом.

Существенным достоинством преобразователей пикового значения напряжения являются большое входное сопротивление (равное R/2 для схемы на рисунок 2.1, а и R/3 - для схемы на рисунок 2.1, б) и наилучшие по сравнению с другими типами преобразователей частотные свойства.

Преобразователь среднеквадратического значения - это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток (напряжение), пропорциональный U²_ск. Характеристика преобразования в этом случае должна быть квадратичной, а при наличии постоянной составляющей необходим детектор с открытым входом.

Преобразователь среднеквадратического значения позволяет осуществить преобразование в постоянное напряжение среднеквадратического значения переменных напряжений несинусоидальной формы, поскольку , гдеU² - среднеквадратическое значение напряжения несинусоидальной формы, U_k - среднеквадратическое значение гармонических составляющих.

В качестве нелинейного элемента преобразователя, имеющего квадратичную вольтамперную характеристику (ВАХ), можно, например, использовать начальный участок ВАХ полупроводникового диода. Однако участок этот имеет очень малую протяженность, а полупроводниковые приборы имеют большой разброс параметров на этом участке характеристики. Поэтому такие преобразователи строятся на основе диодной цепочки. Такая цепочка позволяет получить ВАХ в результате кусочно-линейной аппроксимации параболической кривой. Схема квадратичного преобразователя с диодной цепочкой показана на рисунке 2.2.

Входное напряжение u_вх подводится к широкополосному трансформатору Т1. С помощью диодов V1 и V2 во вторичной обмотке осуществляется двухполупериодное выпрямление. Выпрямленное напряжение воздействует на цепь, состоящую из диодной цепочки V1...V8, делителей напряжения R3...R14 и резистора нагрузки R15. Падение напряжения на нагрузке через фильтр нижних частот Z1 подается на выход преобразователя.

Рисунок 2.2 Структурная схема преобразователя

среднеквадратического значения на основе диодной цепочки.

Выходное напряжение пропорционально среднему значению тока диодной цепочки. Диодная цепочка имеет близкую к параболической вольтамперную характеристику. Поэтому среднее значение выходного напряжения оказывается пропорциональным квадрату среднеквадратического значения входного напряжения.

Как получается квадратичная вольтамперная характеристика? Делители напряжения R3 ... R14 подключены к общему стабилизированному источнику напряжения Е. Делители подобраны так, что напряжения смещения U_i, подаваемые на диоды, удовлетворяют соотношению U₁ < U₂ < ... < U₆. Пока входное напряжение цепочки U не достигнет U₁, все диоды закрыты и начальная часть ВАХ является прямой линией с наклоном, зависящем от сопротивлений резисторов R1, R2 и R15. Когда напряжение U превысит напряжение U₁, откроется диод V3 и параллельно R2 подключится делитель R3, R4. Крутизна ВАХ на участке от U₁ до U₂ возрастает, ток в цепи станет i_ = i_o + i₁. Когда выполнится условие U > U₂, в цепи преобразователя будет протекать ток i_ = i_o + i₁ + i₂. Крутизна ВАХ будет увеличиваться с ростом U. Выбирая соответствующим образом сопротивления делителей, можно получить ВАХ в виде ломанной линии, приближающейся к квадратичной параболе. Таким образом, квадратичная характеристика синтезируется из начальных участков характеристик ряда диодных ячеек.

Коэффициент преобразования такого преобразователя по току К'_v = I/U², где I - среднее значение тока на выходе преобразователя, U - среднеквадратическое значение входного напряжения.

Погрешность преобразования определяется нестабильностью ВАХ диодов, непостоянством сопротивлений резисторов и т.д. Она составляет 3 ... 5 %. Частотный диапазон определяется свойствами трансформатора - индуктивностью (снизу) и паразитными параметрами диодной цепочки (сверху) и составляет интервал от нескольких Гц до 1 МГц.

В современных приборах применяются в основном квадратичные детекторы с термопреобразователями, аналогичными преобразователям термоэлектрических амперметров. Такой преобразователь представляет собой сочетание одной или нескольких термопар и нагревателя. Основным недостатком их является квадратичный характер функции преобразования. Этот недостаток устраняется применением дифференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рис унке 2.3.

При подаче на термопреобразователь ТП₁ измеряемого напряжения U_x~ выходное напряжение ТП₁ U₁ = k_TU²_ск.

Кроме термопреобразователя ТП₁, в схеме имеется второй термопреобразователь ТП₂, включенный встречно с ТП₁. На ТП₂ подается напряжение обратной связи, поэтому его выходное напряжение U₂ = k_TU²₃.

Таким образом на входе УПТ имеет место результирующее напряжение

U₁ - U₂ = k_T(U²_ск - U²₃), (2.1)

чему соответствует

U₃ = k_УПТk_T(U²_ск - U²₃). (2.2)

Если параметры схемы выбрать так, чтобы

k_УПТk_TU²₃>>U₃, (2.3)

то тогда окончательно U₃  U_ск, т.е. функция преобразования будет равномерной.

Рисунок 2.3 Структурная схема преобразователя

среднеквадратического значения напряжения

Преобразователь средневыпрямленного значения - это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный U_св. Вольтамперная характеристка такого преобразователя должна иметь линейный участок в пределах диапазона входных напряжений. Примером подобного преобразователя может служить двухполупериодный полупроводниковый выпрямитель с фильтром нижних частот. Наиболее распространенными являются мостовые схемы (рис. 2.4). В схеме рис. 2.4,а ток через диагональ моста протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения. В положительный полупериод ток протекает по цепи: верхний входной зажим - диод V1 - диагональ моста - диод V4 - нижний входной зажим; в отрицательный: нижний зажим - диод V3 - диагональ моста - диод V2 - верхний входной зажим.

Направление тока соответствует проводящему направлению указанных диодов. Характеристики реальных диодов не имеют строго линейного участка, как это требуется условиями преобразования. Ток, протекающий через диод при положительном значении входного напряжения

, (2.5)

где R_v(U) - сопротивление открытого диода, зависящее от приложенного напряжения, R - сопротивление нагрузки.

Начальный участок характеристики близок к квадратичному. Поэтому будет иметь место погрешность, которая будет тем меньше, чем ближе к линейной будет характеристика диода.

Рисунок 2.4 Структурная схема преобразователя

средневыпрямленного значения напряжения.

Для улучшения линейности вольт-амперной характеристики в диагональ моста последовательно с резистором R включают резистор R_доб, сопротивление которого намного больше сопротивления открытого диода R_v(U).

В этом случае

. (2.6)

Зависимость прямого тока от напряжения будет близка к линейной. Уменьшение чувствительности, обусловленное включением R_доб, можно компенсировать введением дополнительного усиления.

Схема, представленная на рисунке 2.4,б, отличается от предыдущей тем, что вместо диодов V3 и V4 включены резисторы R1 и R2. В положительный полупериод напряжения ток протекает через диод V1 и резистор R1. Через резистор R2 в этот полупериод ток не протекает, на его зажимах напряжение равно нулю. В отрицательный полупериод напряжения ток протекает через диод V2 и резистор R2.

Уравнение преобразования для рассмотренных схем можно выразить следующим образом:

- для схемы (рисунок 2.4,а)

U_o = К_{v св} U_св = , при R_v1 = R_v2 = R_v3 = R_v4 = R_v (2.7)

Если R >> R_v, то U = U_св;

- для схемы (рисунок 2.4,б)

U_o = К_{v св} U_св = , при R_v1 = R_v2 = R_v; R1 = R2 = R, (2.8)

Если R >> R_v, то U = U_св.

Погрешность преобразования обусловлена, главным образом, нелинейностью вольтамперной характеристики диода и влиянием прямого сопротивления диода на ток, протекающий через выпрямительный мост.

Необходимо, однако, добавить, что линейность характеристики таких детекторов будет тем лучше, чем больше U_x~ (при малых U_x~ детектор становится квадратичным). Поэтому детекторы средневыпрямленного значения, как правило, применяют в вольтметрах второй модификации [2].