Выпрямители (детекторы)

Электронные вольтметры переменного напряжения

Электронные измерительные приборы

Электронные ИП (ЭИП) представляют собой более сложные устройства, чем электромеханические. Они содержат несколько различных преобразователей, которые в общем случае выполняют функции деления, усиления, выпрямления и фильтрации сигна­ла, преобразования одних электрических величин в другие. В каче­стве выходных устройств в большинстве ЭИП используются маг­нитоэлектрические измерительные механизмы с соответствующей градуировкой шкалы.

В задачах электрических измерений используется множество раз­личных типов ЭИП (вольтметры переменного и постоянного на­пряжения, частотомеры и фазометры, омметры, измерители индуктивностей и емкостей, разнообразные генераторы, осцилло­графы и анализаторы). Среди этого многообразия выделим группу электронных вольтметров, как довольно распространенных при­боров, и рассмотрим основные особенности построения и приме­нения ЭИП на примере именно вольтметров.

Электронные вольтметры переменного напряжения строятся по одной из двух структурных схем, приведенных на рис. 3.20. Измеряемое переменное напряжение U_~ поступает на вход вольт­метра. Входная цепь ВЦ прибора может содержать делители на­пряжения, переключатели, вспомогательные преобразователи, фильтры и др. Усилитель необходим для усиления сигналов до необходимого уровня. Детектор и в той, и в другой схеме служит для выпрямления переменного входного (или усиленного) сиг­нала; ИП — выходной измерительный прибор (чаще всего маг­нитоэлектрической системы), шкала которого градуируется в тре­буемых значениях.

Схемы различаются последовательностью чередования основ­ных этапов преобразования исследуемого сигнала. В первом случае входное периодическое напряжение U_~ сначала усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем выпрямляется детектором. Приборы, построенные по этой схеме (усилитель–детектор–прибор), обладают более высокой чувствительностью (порог чувствительности – доли микроволь­та), но имеют заметно меньший диапазон частот измеряемых на­пряжений (примерно 20 МГц).

В приборах, построенных по схеме (детектор – уси­литель–прибор), входной сигнал сначала выпрямляется детекто­ром, а затем усиливается усилителем постоянного напряжения. Та­кие вольтметры, напротив, обладают более широким диапазоном частот (от 20 Гц до 500 МГц), но имеют существенно меньшую (худшую) чувствительность (порог чувствительности от 0,5 В).

Одним из основных элементов электронного вольтметра пере­менного напряжения является выпрямитель (детектор) – преобра­зователь переменного напряжения в постоянное. Именно особенно­сти детектора в значительной мере определяют функциональные возможности и характеристики вольтметра. В зависимости от назна­чения вольтметра используются различные схемы детекторов:

• амплитудного значения;

• среднего выпрямленного значения;

• среднего квадратического (действующего) значения.

Детекторы амплитудного значения (или амплитудные детекто­ры – АД) делятся на АД с так называемым открытым входом (АДОВ) и АД с закрытым входом (АДЗВ). Амплитудные детек­торы иногда называются пиковыми детекторами. Рассмотрим устройство и работу таких детекторов. При рассмотрении работы обоих вариантов детекторов будем полагать, что выходное со­противление предыдущего каскада (ВЦ или усилителя – в зависимости от структуры вольтметра) пренебрежимо мало и не опре­деляет значения постоянных времени заряда τ_з и разряда τ_р конденсатора С.

На рис.30 а приведена упрощенная схема АДОВ, на рис.30, б –временная диаграмма изменения входного u (t)и выход­ного u _вых(t) напряжений такого детектора.

Простейшая схема АДОВ содержит полупроводниковый диод VD, конденсатор С и нагрузочный резистор R.

При поступлении положительной полуволны входного напря­жения u(t) на верхний входной зажим (точнее, при положитель­ной разнице потенциалов между верхним и нижним входными зажимами) диод VD открывается (при этом его сопротивление становится малым – r ₀), и через конденсатор С течет ток, заряжа­ющий его.

а

б

Рис. 30. Амплитудный детектор с открытым входом: а – схема; б – временная диаграмма

При отрицательной разнице текущего входного значе­ния входного напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе диод VD закрывается (при этом его сопротивление становится большим), и конденсатор С разряжается на обладающий большим сопротивлением резистор R. Поскольку постоянная времени заряда τ_з кон­денсатора С гораздо меньше постоянной времени разряда τ_р:

( τ ₃ = Сr ₀) <<( τ_р = CR),

то напряжение на конденсаторе непрерывно растет, и через не­сколько периодов входного сигнала напряжение на выходе детек­тора u _вых(t) становится практически равным амплитудному значе­нию U _max входного напряжения u (t).

Отметим, что форма входного периодического сигнала в боль­шинстве реальных случаев значения не имеет.

Если же входное напряжение u (t)представляет собой сумму переменной (с амплитудой U _max) и постоянной U ₀составляющих, то реакция АДОВ по окончании переходного процесса будет соответствовать самому большому значению входного на­пряжения, т.е. выходное напряжение станет равным сумме U ₀ + U _max, и, следовательно, показания выходного измерительного прибора будут определяться именно этой суммой.

Отметим, что форма переменной составляющей входного пе­риодического сигнала и в данном случае практически не имеет значения.

Амплитудный детектор с закрытым входом (АДЗВ), представ­ленный на рис. 31, а на переменный входной сигнал без постоян­ной составляющей реагирует, по сути, аналогично рассмотренно­му АДОВ.

И в этом варианте при положительной полуволне напряжения на верхнем входном зажиме, точнее, при текущем значении вход­ного напряжения u (t) большем, чем напряжение на конденсаторе u_С (t),открывается диод VD, и конденсатор С быстро заряжается через его малое сопротивление. Если текущее значение входного напряжения u (t)меньше напряжения на конденсаторе u_С (t), то диод VD закрыт, и конденсатор С медленно разряжается через большое сопротивление резистора R. Поскольку конденсатор С быстро заряжается и медленно разряжается, то напряжение на нем u_С (t) будет постепенно расти (по модулю) и через нескольких пе­риодов входного сигнала практически достигнет амплитудного зна­чения U _max (рис.31, б).

а

б

Рис. 31. Амплитудный детектор с закрытым входом: а – схема; б – временная диаграмма

Напряжение u_R (t)на резисторе R представляет собой разницу входного напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе u_С (t). Это напряжение в установившемся режиме повторяет по форме вход­ное измеряемое, но смещено на амплитудное значение - U_max. Да­лее напряжение u_R(t), состоящее из суммы переменной составля­ющей и постоянной - U _max, поступает на вход фильтра нижних ча­стот (ФНЧ), который сглаживает форму этого сигнала. Выходное напряжение фильтра u _вых(t) соответствует среднему значению его входного напряжения, т. е. - U _max. Таким образом, выходное напряжение u _вых(t) через несколько периодов входного сигнала станет практически равным максимальному (амплитудному) значении U _maxвходного измеряемого напряжения.

При входном сигнале, содержащем помимо переменной (с ам­плитудой U _max)еще и постоянную составляющую U ₀,АДЗВ ведет себя иначе, чем АДОВ. В этом случае через несколько периодов конденсатор С зарядится до напряжения, равного сумме U _max + U ₀,т.е. конденсатор С не будет пропускать постоянную составляющую, и выходное напряжение фильтра u _вых(t) будет определяться только амплитудой U _max переменной составляющей входного сигнала.

Детекторы среднего выпрямленного значения (СВЗ) делятся на однополупериодные и двухполупериодные детекторы. Рассмотрим вариант двухполупериодного детектора СВЗ как наиболее распро­страненного (рис. 32, а).

Рис. 32. Детектор среднего выпрямленного значения: а - схема; б - временная диаграмма

В основе схемы детектора четыре одинаковых полупроводнико­вых диода (VD1, VD2, VD3, VD4), соединенных в мостовую схему. При поступлении положительной полуволны входного напряже­ния u (t)на верхний зажим открываются диоды VD1 и VD3 (другие диоды закрыты) и через резистор R потечет ток (справа налево). Предполагаем, что ФНЧ имеет большое входное сопротивление и не влияет на работу собственно выпрямителя. При отрицательной полуволне u (t)на верхнем зажиме (т.е. при положительной полуволне на нижнем зажиме) откроются только диоды VD2 и VD4 и через резистор R вновь потечет ток, причем в том же направлении (справа налево). Таким образом, ток через резистор протекает все­гда в одну и ту же сторону (рис. 32, б). Этот ток i_R (t)создает падение напряжения на резисторе R. Это однополярное (уже вы­прямленное) напряжение, среднее значение которого пропорцио­нально среднему выпрямленному значению входного напряжения u (t), поступает затем на вход ФНЧ, с помощью которого выпол­няется сглаживание сигнала. В результате на выходе фильтра воз­никает постоянное напряжение, пропорциональное среднему вы­прямленному значению U _с.в.входного напряжения u (t).

Детекторы среднего квадратического значения. Детекторы сред­него квадратического значения (СКЗ) - Root Mean Square (RMS) делятся на аппроксимирующие детекторы (устройства, лишь при­ближенно дающие нужный результат) и детекторы так называе­мого истинного СКЗ (True RMS - TRMS).

Рассмотрим устройство аппроксимирующего детектора СКЗ (рис. 33, а).

Рис. 33. Аппроксимирующий детектор среднего квадратического значения (а) и его характеристика преобразования (б)

Основными элементами схемы являются набор однотипных резистивно-диодных цепочек (R1- VD1, R2 - VD2, R3 - VD3,..., Rn - VDn); делитель напряжения, образованный резисторами r1, r2, r3,…, rn, r0 иисточником стабильного известного напряжения U ₀; a также фильтр нижних частот (ФНЧ). Делитель напряжения создает ряд последовательно возрастающих опорных потенциалов (φ₁, φ₂, φ₃,..., φ_n). Фильтр нижних частот предназначен для сглаживания кривой выходного напряжения.

При поступлении на вход детектора напряжения u (t),текущее значение U _вх которого больше, чем значение потенциала φ₁ (но меньше значения всех остальных потенциалов), открывается диод VD1 и по цепи R1- VD1-r1 потечет ток i ₁. Если входное напряже­ние будет расти, то пропорционально будет расти и ток i₁ до тех пор, пока текущее значение U _вхне превысит потенциал φ₂. При этом, наряду с уже открытым диодом VD1, откроется также диод VD2 и через резистор r1 потечет сумма токов (i ₁ + i ₂) (рис. 33, б). При дальнейшем увеличении входного напряжения будут после­довательно открываться и другие резистивно-диодные цепочки и суммарный ток в резисторе r1 будет расти. Таким образом, чем больше текущее значение входного напряжения U _вх,тем большее число резистивно-диодных цепей откроется и тем, следовательно, больше будет суммарный ток, протекающий в резисторе r1. Под­бором числа и параметров резистивно-диодных цепей можно до­стичь желаемого квадратического характера зависимости суммарного тока (и, следовательно, зависимости выходного напряжение детектора) от текущего значения входного напряжения U _вх.

Детекторы истинного СКЗ, в отличие от рассмотренных апп­роксимирующих, реагируют именно на действительное (реальное) среднее квадратическое (действующее) значение, независимо от формы кривой входного напряжения. На рис. 34приведен про­стейший детектор истинного СКЗ, в основе которого лежит тер­моэлектрический преобразователь.

а

б

Рис. 34. Варианты (а и б) устройства термоэлектрического детектора

Входное измеряемое напряжение u (t)с помощью усилителя пере­менного напряжения Ус_~ усиливается и поступает на термоэлектрический преобразователь (ТП), содержащий две части: нагреватель (Н) и термопару (Т). Переменный ток, протекающий через Н, нагревает его до температуры, пропорциональной квадрату именно действую­щего значения входного измеряемого напряжения u (t). В непосред­ственной близости от нагревателя расположен рабочий спай тер­мопары, поэтому значение ее термоЭДС Е _Топределяется темпера­турой нагревателя и, следовательно, будет пропорционально дей­ствующему значению измеряемого напряжения u (t). Усилитель по­стоянного напряжения Ус_ усиливает выходной сигнал малого уров­ня термопары. Таким образом, независимо от формы входного сигнала выходное постоянное напряжение U _вых такого детектора пропорционально именно истинному действующему значению.

Рассмотрим один из вариантов устройства такого детектора СКЗ (рис.34, б). Прямой канал преобразования, как и в уже рассмот­ренной структуре, создается усилителем Ус и термопреобразова­телем ТП1. Чем больше СКЗ входного напряжения, тем больше термоЭДС термопары ТП1 и тем больше выходной ток I_вых усили­теля постоянного напряже-ния Ус_. Этим током нагревается нагре­ватель второго термопреобразователя ТП2 до температуры, созда­ющей термоЭДС термопары ТП2, практически равной термоЭДС термопары ТП1. Термопары обоих ТП включены встречно. Поэто­му при любых изменениях СКЗ входного напряжения u (t)соответ­ственно изменяется выходной ток I _вых и, следовательно, термо­ЭДС ТП2.

Таким образом, на входе усилителя Ус_ автоматически всегда поддерживается минимальная разность Δ Е двух термоЭДС: ТП1 и ТП2. Благодаря такой отрицательной обратной связи заметно по­вышаются линейность и точность преобразования. Выходной ток I _вых, протекая по вспомогательному резистору R,создает выход­ное напряжение U _вых детектора, пропорциональное действительному (истинному) СКЗ измеряемого входного напряжения u (t).

Основными достоинствами электронных вольтметров с термо­электрическими детекторами являются высокая точность преобра­зования (до 0,1 %); широкий диапазон частот (до 10 МГц); изме­рение истинного СКЗ напряжения. Пожалуй, единственный недо­статок таких вольтметров - сравнительно невысокое быстродей­ствие, т. е. быстрые изменения СКЗ входного сигнала не воспринимаются сразу в силу тепловой инерционности ТП.

Дата добавления: 2014-10-15