Делитель Кельвина-Варлея
Делитель Кельвина-Варлея является прецизионной схемой, используемой в качестве лабораторного оборудования. Разрешающая способность измерений, проведённых с использованием этого делителя напряжения может достигать 1,0*10-7.
Принципиальная схема
Обычный делитель напряжения (так называемый делитель Кельвина) использует набор последовательно соединённых резисторов. Основным недостатком этой схемы является то, что для получения разрешения 1/1000 потребуется использовать 1000 высокоточных резисторов.
Рис. 1. Принципиальная схема делителя напряжения Кельвина-Варлея.
Коэффициент деления, установленный на схеме, равен 0,2072
В делителе Кельвина-Варлея применён остроумный способ итерации. В типичной схеме такого делителя каждая ступень обеспечивает разрешение, равное декаде и требует всего 11 высокоточных резисторов. Три последовательно соединённые ступени позволяют получить любой коэффициент деления от 0 до 1 с шагом 0,001.
Каждая ступень делителя Кельвина-Варлея состоит из последовательно соединённых резисторов одинакового номинала. Пусть величина каждого резистора в i-й ступени будет Ri Ом. Каждая делительная декада будет состоять из 11 резисторов. Каждые два рядом расположенные резистора будут формировать совместно с резисторами из последующей ступени резисторный мост, при этом последующая ступень сконструирована так, что бы её входное сопротивление было равно 2Ri Ом. Общее входное сопротивление i-й ступени будет равно 10Ri Ом.
В простой схеме декадного делителя Кельвина-Варлея сопротивление на каждой ступени уменьшается в 5 раз: Ri+1 = Ri / 5. В первой ступени можно использовать резисторы сопротивление 10 кОм, во второй - 2 кОм, в третьей - 400 Ом, в четвёртой - 80 Ом, в пятой - 16 Ом.
Самая последняя ступень делителя Кельвина-Варлея является обычным делителем Кельвина. Для декадного деления в этой ступени используются десять резисторов с одинаковыми сопротивлениями. Пусть сопротивление каждого резистора будет равно Ri Ом. Тогда входное сопротивление всего делителя будет равно 10Ri Ом. Альтернативно в качестве последней ступени можно использовать двухрезисторный делитель напряжения.
Настройка схемы
В практических конструкциях делителей напряжения величины сопротивлений могут иметь некоторые отклонения от номиналов, поэтому необходимо провести тщательную проверку коэффициентов деления, и в конструкции должна быть предусмотрена возможность регулировки сопротивлений резисторов.
Обычно каждый из резисторов в цепи делителя регулируют для того, что бы сопротивления всех резисторов стали бы одинаковыми, это позволит получить равные коэффициенты деления.
Если зашунтировать параллельно соединённые резисторы делителя, то это позволит производить настройку регулировкой всего одного органа управления, что гораздо проще, чем регулировать все 11 резисторов.
Другие конструкторские вопросы
Температурный коэффициент
Идеальные резисторы имеют неизменное сопротивление. На практике же сопротивление резисторов изменяется со временем и от внешних условий. Кроме того, сопротивление меняется с изменением температуры.
Углеродные плёночные резисторы имеют температурный коэффициент несколько сот миллионных на один градус Цельсия. У некоторых плёночных резисторов температурный коэффициент составляет 1*10-5°C. У металлоплёночных резисторов ТКЕ составляет 1*10-6 / °C.
Самонагрев
Энергия, рассеиваемая на резисторе, преобразуется в тепло. Это тепло, увеличивающее температуру резистора, рассеивается в окружающем воздушном пространстве, а так же частично передаётся рядом расположенным компонентам. На графиках обычно показывают зависимость средней мощности рассеяния (Ватт) на резисторе от температурного коэффициента сопротивления (°C / Вт), эта зависимость практически линейная. Температура резистора, рассеивающего 0,5 Ватта и имеющего температурный коэффициент сопротивления 12°C / Вт будет выше температуры окружающей среды на 6°.
Делители Кельвина-Варлея применяются для тестирования высоких напряжений, и это создаёт проблемы с самонагревом. Первая ступень делителя обычно состоит из резисторов номиналом по 10 кОм, что даёт входное сопротивление всего делителя равное 100 кОм. При входном напряжении 1000 Вольт, на делителе рассеивается мощность, равная 10 Ваттам. На большинстве резисторов будет рассеиваться мощность по 1 Ватту, но на двух резисторах предыдущей ступени, подключённых к последующей ступени будет рассеиваться мощность 0,5 Ватта на каждом, так как эти два резистора шунтируются входным сопротивлением последующей ступени. Так как мощность, рассеиваемая на этих двух резисторах, в два раза меньше, чем на остальных резисторах, то температура этих двух резисторах увеличится только наполовину по сравнению с остальными сопротивлениями.
Что бы делитель напряжения сохранял высокую точность, необходимо ограничить повышение температуры от самонагрева. Применение резисторов с очень низкими температурными коэффициентами позволяет снизить влияние температурных колебаний. Уменьшение теплового сопротивления резисторов позволяет уменьшает их нагрев.
В коммерческих моделях делителей Кельвина-Варлея применяются проволочные резисторы, погружённые в ёмкость с маслом.
Рис. 2. Принципиальная схема коммерческого делителя напряжения KVD-700
Проблемы, связанные с возникновением термо-ЭДС
При работе высокоточных устройств, а выше описанный делитель как раз и является прецизионным устройством, возникают проблемы, связанные с тем, что в точке соединения двух разнородных металлов возникает термо-ЭДС. В результате в схеме могут возникать паразитные источники напряжения, влияющие на результаты измерений. Правильный выбор конструкции прибора позволяет минимизировать такие проблемы.