ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения

Основное назначение выпрямительных приборов - измерение токов и напряжений низких (звуковых) частот, например в цепях усилителей и генераторов НЧ или в измерительных мостах переменного тока. Действие их основано на преобразовании с помощью полупроводниковых, ламповых или механических выпрямителей измеряемого переменного тока или напряжения в пропорциональный последнему постоянный ток, регистрируемый чувствительным магнитоэлектрическим измерителем, отсчёт по шкале которого производится в значениях измеряемой величины.

Преимущественно применяемый в качестве выпрямительного элемента полупроводниковый диод представляет собой полупроводник, в котором созданы две области с проводимостью различного характера: дырочной (типа p) и электронной (типа n); на границе раздела этих областей возникает тонкий запорный слой (p-n переход). Диод обладает односторонней проводимостью, которая проявляется в том, что для электрического тока Iпр, протекающего в прямом направлении (от области р к области n), он представляет значительно меньшее сопротивление, чем для тока обратного направления Iобр.

Зависимость между напряжением, приложенным к полупроводниковому диоду, и током в его цепи характеризуется вольт-амперной характеристикой. Напомним, что при малых прямых напряжениях (до десятых долей вольта) эта зависимость примерно квадратичная (Inp ≈ k*U2пр2, где k - коэффициент пропорциональности), а при повышении напряжения она приближается к линейной (Inp ≈ k*U2пр). При обратных же напряжениях, изменяющихся в широких пределах (до десятков, а иногда и сотен вольт), обратный ток остаётся почти неизменным и весьма малым. Если к диоду приложить переменное напряжение, то в его цепи будет протекать пульсирующий ток (рис. 1, б), постоянную составляющую которого (I0) можно измерить магнитоэлектрическим измерителем. Благодаря указанным выше особенностям вольт-амперных характеристик диодов шкалы выпрямительных приборов оказываются почти равномерными, за исключением нелинейных начальных участков, протяжённость которых зависит от параметров выпрямительных элементов и измерителя, схемы их включения и предела измерений.

Выпрямительный прибор рассчитывают таким образом, чтобы в предельных режимах работы для каждого применённого в нем полупроводникового диода среднее значение I0 выпрямленного тока не превосходило 50-70% максимально допустимого (по паспортным данным) значения Iпр.макс, а обратное напряжение на нём Uобр не превышало 50-70% максимального допустимого значения Uобр.макс. При Uобр > Uобр.макс может произойти необратимый пробой p-n перехода, в результате которого его сопротивление для тока обратного направления резко уменьшится.

Выпрямительные приборы обычно имеют класс точности не выше 2,5. Это объясняется тем, что различные экземпляры полупроводниковых диодов недостаточно однородны по своим характеристикам и параметрам, которые к тому же со временем несколько изменяются. Поэтому расчёт выпрямительного прибора может быть произведён лишь приближённо, в процессе его наладки возникает необходимость в подборе диодов и подгонке электрических номиналов других элементов схемы. Градуировочная характеристика прибора должна систематически проверяться и корректироваться, особенно при замене выпрямительных элементов. Вследствие зависимости прямого и обратного сопротивлений диодов от температуры приборы имеют заметную температурную погрешность, достигающую 3-4% на каждые 10 К отклонения температуры от 20° С. Способами температурной компенсации и теплоизоляции удаётся получить диапазон рабочих температур от -30 до +(40-50)° С.

В большинстве выпрямительных приборов применяют точечные германиевые диоды, которые способны выдерживать обратные напряжения до 30-150 В. Они имеют площадь точечного контакта примерно 0,0001 мм2, поэтому собственная ёмкость диодов в основном определяется ёмкостью между выводами, которая не превышает 2 пФ. Точечные диоды удовлетворительно работают на частотах до 100-150 МГц и потому верхняя граница рабочего диапазона частот выпрямительного прибора практически определяется зависимостью от частоты реактивных параметров других элементов схемы - входной цепи, шунтов, добавочных резисторов и т. д. С целью облегчения требований к схеме, конструкции и деталям прибора верхнюю граничную рабочую частоту обычно берут в пределах 10-20 кГц.

Вольт-амперные характеристики германиевых диодов имеют сравнительно широкий нелинейный участок (примерно до Uпр = 0,5 В). В меньшей степени этот недостаток проявляется у диодов серий Д2 и Д9.

Кремниевые диоды в выпрямительных приборах используются редко, так как их внутреннее сопротивление для тока прямого направления значительно больше, чем у германиевых диодов. Некоторое применение имеют ламповые диоды, которые характеризуются устойчивостью параметров и отсутствием обратного тока. Однако они требуют питания цепи накала и компенсации начального анодного тока.

Измерительные блоки выпрямительных приборов

Специфичной частью любого выпрямительного прибора является его измерительный блок (ИБ). Сопротивление последнего чаще всего желательно иметь малым для токов обоих направлений. ИБУ удовлетворяющие этому условию, могут быть основаны на одно- или двухполупериодной схеме выпрямления.

На рис. 1 представлены однополупериодная схема ИБ и примерный график протекающего через его измерительный механизм И выпрямленного тока iи для случая измерения синусоидального тока (при условии пренебрежения обратным током диодов). Полупроводниковый диод Д1 пропускает через измеритель И лишь одну полуволну измеряемого переменного тока; полуволна тока обратного направления, для которой сопротивление диода Д1 очень велико, проходит через диод Д2. Так как подвижная система измерителя имеет значительную инерцию, то при частотах от 20 Гц и выше стрелка не успевает следовать за пульсациями тока iи и показывает его среднее значение I0.

Однополупериодная схема вольтметра переменного тока

Рис. 1. Однополупериодная схема (а) измерительного блока выпрямительного прибора и график (б) изменения выпрямленного тока

С целью выравнивания сопротивления ИБ для токов обоих направлений последовательно с диодом Д2 включают резистор R, сопротивление которого берут равным сопротивлению измерителя Rи.

Параллельно измерителю иногда присоединяют конденсатор С ёмкостью 0,1- 1 мкФ, который ослабляет вибрацию стрелки измерителя и тем самым понижает нижнюю границу частотного диапазона выпрямительного прибора.

Двухполупериодная схема измерительного блока выпрямительного прибора и график изменения выпрямленного тока

Рис. 2. Двухполупериодная схема (а) измерительного блока выпрямительного прибора и график (б) изменения выпрямленного тока

Достоинством однополупериодной схемы является то, что почти все напряжение, приложенное к ИБ, падает на диоде Д1; вследствие этого диод уже при сравнительно малых входных напряжениях работает в режиме линейного детектирования и шкала прибора получается в большей своей части линейной. Недостатком схемы является сравнительно низкая её чувствительность по току. При измерении синусоидального тока со среднеквадратическим значением I средневыпрямленное значение тока, отклоняющее стрелку измерителя, I0 ≈ 0,45*I; поэтому при токе полного отклонения измерителя Iи

предельное среднеквадратическое значение измеряемого ИБ переменного тока

Iи.б ≈ Iи/0,45 = 2,22 Iи.

Более высокая чувствительность по току может быть получена при использовании двухполупериодной схемы выпрямления (рис. 2), в которой измеритель И включён в диагональ моста, образованного четырьмя диодами. Пути протекания измеряемого переменного тока ix в течение обоих его полупериодов показаны на рис. 2, а стрелками, соответственно штриховыми и сплошными. Одну половину периода ток проходит через диоды Д1 и Д3, а другую через диоды Д2 и Д4. Через измеритель ток идёт оба полупериода в одном и том же направлении. При работе в режиме линейного детектирования постоянная составляющая выпрямленного тока I0 ≈ 0,9*I, а предельное среднеквадратическое значение измеряемого синусоидального тока

Iи.б ≈ Iи/0,9 =1,11*Iи.

Недостатком данной схемы по сравнению с однополупериодной является расширение нелинейного участка шкалы вследствие того, что на каждом диоде падает менее половины приложенного к ИБ напряжения. С учётом этого обстоятельства практически оказывается Iи.б = (1,2...1,3)*Iи.

Таким образом, чувствительность ИБ по току зависит главным образом от схемы включения и параметров входящего в его состав магнитоэлектрического измерителя и может достигать высоких значений (примерно 60-100 мкА). При измерителе с током полного отклонения Iи до 100-200 мкА и соответствующем подборе диодов можно получить примерно квадратичную градуировочную характеристику ИБ по току. Примерно линейная градуировочная характеристика достигается при выборе измерителя пониженной чувствительности, что ведёт к повышению наименьшего предельного значения измеряемого тока Iи.б. Отсчёт по шкалам таких приборов обычно производится в среднеквадратических значениях I синусоидального тока, тогда как отклонение стрелки определяется средним значением I0 выпрямленного тока. Связь между ними выражается коэффициентом формы кривой: Kф = I/I0 = 1,11 (при двухполупериодном линейном выпрямлении синусоидального тока). Если форма кривой измеряемого тока отличается от синусоиды или заметно проявляется нелинейность вольт-амперных характеристик диодов, то возникает дополнительная погрешность, пропорциональная изменению коэффициента Kф.

Падение напряжения Uи.б на ИБ, необходимое для отклонения стрелки измерителя на всю шкалу, складывается из падений напряжений на диодах, включённых последовательно, и магнитоэлектрическом измерителе И и достигает 0,25-1,5 В. Для его уменьшения желательно применять диоды с возможно меньшим сопротивлением прямому току и низкоомные измерители.

Вследствие нелинейного характера сопротивлений диодов сопротивление ИБ зависит от значения измеряемого им тока. Для определённости внутреннее сопротивление ИБ принято характеризовать номинальным значением:

Rи.б = Uи.б/Iи.б,

при предельных условиях измерений. Значения Uи.б и Iи.б могут быть определены опытным путём по схеме, аналогичной приведённой на рис. 2, при включении ИБ вместо измерителя И и использовании источника и опорных приборов (миллиамперметра и вольтметра) переменного тока.

Выпрямительные миллиамперметры и амперметры

Для расширения верхнего предела измерений по току до требуемого значения: Iп = N/Iи.б, параллельно измерительному блоку (ИБ) (рис. 2) включают шунт сопротивлением

Rш = Rи.б/(N-1).

С изменением тока сопротивление ИБ меняется, тогда как сопротивление шунта остаётся практически неизменным, а это приводит к зависимости отношения токов в цепях ИБ и шунта от значения измеряемого тока. В результате шкалу ИБ, выполненную при отсутствии шунта, не всегда удаётся использовать (с помощью кратного множителя N) при работе с шунтом. Более того, поскольку характер указанной выше зависимости становится несколько иным при различных сопротивлениях шунта, то многопредельный выпрямительный миллиамперметр (амперметр) с переключаемыми шунтами на каждом пределе измерений должен иметь отдельную шкалу.

Задача использования общей шкалы (с кратными множителями к ней) на различных пределах может быть решена двумя способами.

Схемы многопредельных выпрямительных миллиамперметров с переключаемыми шунтами

Рис. 3. Схемы многопредельных выпрямительных миллиамперметров с переключаемыми шунтами.

Первый способ направлен к повышению стабильности сопротивления ИБ. Для этого в схему мостового типа вместо двух диодов включают постоянные резисторы сопротивлением примерно в сотни или тысячи Ом. При включении резисторов R3 и R4 по схеме на рис. 3, а общее сопротивление ИБ становится мало зависящим от тока в его цепи и внешней температуры, но начальный нелинейный участок Шкалы заметно расширяется. При включении этих резисторов по схеме на рис. 3, б и выборе сопротивлений R3 = R4 = r/20,5 (где r - прямое сопротивление диода) удаётся несколько повысить напряжение на диодах, что улучшает линейность шкалы. Применение схем обоих вариантов заметно понижает чувствительность ИБ по сравнению с исходной схемой (рис. 2, а).

При втором способе отсчёт по общей шкале на различных пределах измерения переменного тока обеспечивается с помощью универсального шунта (рис. 4), при большом сопротивлении которого удаётся сохранить на исходном пределе высокую чувствительность собственно ИБ. Недостатком схемы является то, что при увеличении предельного значения измеряемого тока заметно возрастает падение напряжения на приборе, которое может достигать нескольких вольт; это ограничивает возможности применения амперметров с универсальными шунтами для измерений в низковольтных цепях, например в цепях накала радиоламп. Измерение больших токов при малом падении напряжения на приборе можно обеспечить при использовании измерительных трансформаторов тока, находящих применение в некоторых приборах промышленного изготовления.

Для уменьшения температурной погрешности параллельно ИБ иногда включают дополнительный шунт, как это показано штриховой линией на рис. 4. Один из резисторов шунта (R4) изготовляют из медной проволоки, которая имеет положительный температурный коэффициент, а второй (R5) - из манганиновой проволоки с высокостабильным сопротивлением. При повышении температуры сопротивление шунта увеличивается; это приводит к возрастанию выпрямленного тока, компенсирующего в некотором интервале температур понижение коэффициента выпрямления. Для получения эффективной температурной компенсации общее сопротивление дополнительного шунта не должно превышать сопротивление Rи.б более чем в 3-5 раз, что приводит к заметному понижению чувствительности ИБ.

Схема многопредельного выпрямительного амперметра с универсальным шунтом

Рис. 4. Схема многопредельного выпрямительного миллиамперметра с универсальным шунтом.

С целью снижения частотной погрешности резисторы дополнительного шунта выполняют (полностью или частично) в виде катушек. При повышении частоты измеряемого тока индуктивное сопротивление такого шунта возрастает, что увеличивает долю тока, протекающего через ИБ, и тем самым в некоторой степени компенсирует шунтирующее влияние собственной ёмкости запорного слоя диодов.

Если прибор предназначен для измерения переменной составляющей пульсирующего тока, то последовательно с ИБ включают конденсатор С ёмкостью от сотых долей до единиц микрофарад (в зависимости от частоты тока).

Расчёт многопредельных выпрямительных миллиамперметров и амперметров, работающих в области низких (звуковых) частот, производится теми же способами, что и многопредельных магнитоэлектрических приборов; при этом в расчётные формулы вместо данных магнитоэлектрического измерителя Iи, Rи и Uи следует подставлять соответственные параметры ИБ: Iи.б, Rи.б и Uи.б (с учётом влияния элементов температурной и частотной компенсации).

Схема многопредельного высокочастотного выпрямительного миллиамперметра

Рис. 5. Схема многопредельного высокочастотного выпрямительного миллиамперметра.

В высокочастотных выпрямительных миллиамперметрах применение резисторов нежелательно из-за заметной зависимости их параметров от частоты тока. Измерительные блоки этих приборов собираются на точечных германиевых диодах по однополупериодной схеме (рис. 1) или по двухполупериодной схеме (рис. 5), два плеча которой образуют конденсаторы С3 и С4. Пределы измерений по току расширяют посредством ёмкостных шунтов. Диапазон рабочих частот таких приборов зависит от параметров диодов, ёмкостей конденсаторов и предельного значения тока; его верхняя граница при токах 10-20 мА может достигать 100-300 МГц, а при токе 100 мкА снижается до 10-20 МГц.

Задача 1. Проверить правильность приближённого расчёта многопредельного выпрямительного миллиамперметра, выполненного по схеме на рис. 4 (без элементов температурной компенсации) на основе следующих данных: пределы измерений (в среднеквадратических значениях) 1, 10 и 100 мА; измеритель типа М49 с током Iи = 0,3 мА и сопротивлением Rи - 350 Ом; напряжение полного отклонения (Uи.б = 0,27 В. Результаты расчёта приведены на схеме.

Задача 2. Какие сопротивления должны иметь резисторы универсального шунта схемы миллиамперметра (рис. 4) при включении элементов температурной и частотной компенсации R4 = 2 кОм и R5 = 1 кОм?

Ответ: R1 = 4,6 Ом; R2 = 41,4 Ом; R3 = 414 Ом.

Выпрямительные вольтметры

В зависимости от схемы и режима работы вольтметры переменного тока дают показания, пропорциональные амплитудному (пиковому) Uм, среднеквадратическому U или средневыпрямленному U0 значению измеряемого напряжения (при симметричной форме последнего). Однако независимо от принципа действия отсчёт по шкалам большей части вольтметров производится в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Тогда при измерении несинусоидальных напряжений отсчёт по шкалам вольтметров амплитудных и средневыпрямленных значений оказывается несправедливым, но их показания могут быть преобразованы в правильные амплитудные или средневыпрямленные значения соответственно, при условии умножения для первых - на коэффициент 1,41, а для вторых - на коэффициент 0,45 (при однополупериодном выпрямлении) или 0,9 (при двухполупериодном выпрямлении).

Схема простейшего выпрямительного вольтметра

Рис. 6. Схема простейшего выпрямительного вольтметра.

Простейший вольтметр средневыпрямленных значений, схема которого приведена на рис. 6, содержит последовательно соединённые полупроводниковый диод Д, магнитоэлектрический измеритель И, добавочный резистор Rд. Если Rд >> r, где r - прямое сопротивление диода, то в положительный полупериод входного напряжения их зависимость между током и входным напряжением окажется практически линейной и показания измерителя будут определяться средним значением I0 выпрямленного тока (рис 1, б), пропорциональным среднему значению U0 одной полуволны измеряемого напряжения их за период. Необходимое сопротивление резистора Rд находится в зависимости от предельного среднеквадратического значения Uп измеряемого синусоидального напряжения и параметров измерителя И по формуле

Rд ≈ 0,45(Uп/Iи)-Rи.

Недостатком вольтметра является непостоянство его входного сопротивления, которое приближается к значению Rд + Rи в положительный полупериод измеряемого напряжения и многократно возрастает в отрицательный полупериод. Для увеличения входного сопротивления и улучшения линейности шкалы сопротивление Rд желательно иметь возможно большим. Этого можно достигнуть как выбором измерителя И высокой чувствительности, так и повышением предельного значения Uп измеряемых напряжений. Последнее, однако, не должно превышать максимально допустимого для диода напряжения Uобр.макс; это объясняется опасностью пробоя диода в отрицательный полупериод напряжения их, когда его сопротивление очень велико и значительная доля входного напряжения оказывается приложенной к диоду.

Схемы выпрямительных вольтметров средневыпрямленного значения

Рис. 7. Схемы выпрямительных вольтметров средневыпрямленного значения

Рассматриваемый вольтметр имеет открытую схему входа, не защищающую его от воздействия постоянных напряжений, поэтому он пригоден для измерения лишь чисто переменных напряжений. Если же входное напряжение их окажется пульсирующим, то результаты измерений будут неопределёнными и различными при разной полярности подключения вольтметра к исследуемой цепи.

Указанные недостатки в значительной мере устраняются, если измерительный блок вольтметра выполнить на основе принципов, рассмотренных в разделе Измерительные блоки выпрямительных приборов. Две основные схемы таких вольтметров приведены на рис. 7. Их входное сопротивление примерно одинаково для токов обоих направлений, причём большая часть приложенного к вольтметру напряжения в течение всего периода падает на добавочном резисторе Rд, что устраняет опасность пробоя диодов даже при многократной случайной перегрузке прибора.

Для получения требуемого верхнего предела измерений Uп последовательно с измерительным блоком, характеризуемым током полного отклонения Iи.б и номинальным сопротивлением Rи.б, включают добавочный резистор сопротивлением

Rд = Uп/Iи.б - Rи.б.

В многопредельных вольтметрах применяют несколько переключаемых добавочных резисторов различных номиналов (рис. 7, б). Реактивные параметры резисторов ограничивают верхний предел рабочего диапазона частот. Для уменьшения частотной погрешности добавочные резисторы должны быть безындукционными, например непроволочными или с бифилярной намоткой. С той же целью параллельно части добавочного резистора иногда включают конденсатор С (рис. 7, а), необходимую ёмкость которого подбирают опытным путём. С повышением частоты происходит уменьшение общего сопротивления шунтированного участка, что компенсирует в некотором диапазоне частот возрастание полного сопротивления добавочного резистора, а также шунтирующее действие собственных ёмкостей выпрямительных элементов. При необходимости измерения переменной составляющей пульсирующего напряжения вольтметр подключают к исследуемой цепи через конденсатор, ёмкость которого (порядка микрофарад) берётся тем большей, чем ниже частота пульсаций.

На низковольтных пределах из-за уменьшения сопротивления Rд расширяется нелинейный участок шкалы вольтметра, что ведёт к возрастанию погрешности измерений в случае использования общей для всех пределов шкалы. Линейность шкалы улучшается при выполнении ИБ по схемам, приведённым на рис. 3.

Полезно отметить, что при одинаковых пределах измерений Uп и однотипных измерителях постоянного тока входное сопротивление вольтметра средневыпрямленного значения

Rв =Rд + Rи.б = Uп/Iи.б

на 10-60% меньше, а погрешность измерений примерно в два раза выше, чем у магнитоэлектрического вольтметра.

Два основных варианта схем амплитудных выпрямительных вольтметров представлены на рис. 8, а и б. Предположим, что правая часть этих схем между зажимами 1 и 2 отключена, а обратное сопротивление диода Д1 бесконечно велико. Тогда напряжение на конденсаторе С быстро достигнет амплитудного значения Uм в результате его заряда в положительные полупериоды напряжения их через малое прямое сопротивление диода Д1. По окончании заряда ток в цепи исчезнет, так как напряжение на конденсаторе будет задавать отрицательный потенциал на анод диода (На приводимых схемах в случае необходимости в скобках указана полярность потенциалов на обкладках конденсаторов).

Схемы амплитудных выпрямительных вольтметров

Рис. 8. Схемы амплитудных выпрямительных вольтметров

Если параллельно конденсатору С (рис. 8, а) или диоду Д1 (рис. 8, б) включить вольтметр постоянного тока с бесконечно большим входным сопротивлением (например, электростатический вольтметр), то он измерит постоянное напряжение между зажимами 1 и 2, равное в обеих схемах Uм. Однако из-за отсутствия у конденсатора С разрядной цепи прибор не будет реагировать в дальнейшем на уменьшение в процессе измерений амплитуды Uм. Если же к зажимам 1 и 2 подключить высокоомный вольтметр постоянного тока (как это показано на схемах рис. 8), состоящий из чувствительного измерителя И и добавочного резистора Rд, то напряжение Uс на конденсаторе станет пульсирующим. Из графика временной зависимости напряжений Uх и Uс, приведённого на рис. 9, видно, что в течение небольшой части положительного полупериода Uх, когда мгновенные значения Uх превышают Uс, конденсатор заряжается через диод Д1. В течение остальной части периода, когда суммарное напряжение Uс + Uх отрицательно и запирает диод, происходит медленный разряд конденсатора через цепь вольтметра постоянного тока. Если сопротивление Rд велико, то постоянная составляющая напряжения на конденсаторе, измеряемая вольтметром, будет близка к амплитуде Uм положительной полуволны напряжения их. При этом наличие у конденсатора разрядной цепи позволит вольтметру достаточно быстро реагировать как на увеличение, так и на уменьшение амплитуды Uм, отсчёт которой может производиться по равномерной шкале измерителя И. (Процесс изменения напряжения Uс от значения, близкого к Uм1, к значению Uм2 < Uм1 показан на графике рис. 9.) Для измерения амплитуд обеих полуволн при несимметричной форме входного напряжения следует изменять полярность подключения вольтметра к исследуемой цепи. Приближенный расчёт требуемого сопротивления Rд производится по формуле (3), подразумевая под Uп предельную амплитуду измеряемого напряжения.

График изменения напряжений Uх и Uс

Рис. 9. График изменения напряжений Uх и Uс.

Вольтметры, собранные по схеме на рис. 8, а, имеют открытый вход и потому непригодны для измерения амплитуд переменных составляющих пульсирующих напряжений. Для измерения последних должны использоваться вольтметры с закрытым входом (рис. 8, б), в которых конденсатор С благодаря отсутствию шунтирующей цепи действует как разделительный, устраняя влияние на показания вольтметра постоянных напряжений. Ёмкостное сопротивление конденсатора в целях уменьшения падения на нем переменного напряжения должно быть значительно меньше сопротивления Rд. Если ограничить минимальную рабочую частоту вольтметра значением 30 Гц, то для того чтобы сопротивление конденсатора (в мегомах) не превышало 0,1Rд, выбор ёмкости (в микрофарадах) следует производить по формуле

С >= 0,05Rд.

Например, при Rд = 1 МОм необходима ёмкость С >= 0,05 мкФ. Следует, однако, учитывать, что при большой ёмкости С из-за увеличения габаритов конденсатора возрастает ёмкость между его корпусом и «землёй», шунтирующая вход. Поэтому в некоторых вольтметрах для обеспечения широкого диапазона рабочих частот применяют несколько сменных конденсаторов С.

Работа рассмотренных схем вольтметров принципиально не изменится, если измеритель И включить последовательно с диодом Д1 (рис. 8, в). В этом случае отклонение стрелки измерителя будет происходить под воздействием постоянной составляющей зарядного тока, равной постоянной составляющей разрядного тока и пропорциональной амплитуде Uм.

При наличии в вольтметре лампового диода (рис. 8, а) в цепи измерителя И при замкнутых входных зажимах (Uх = 0) будет протекать небольшой начальный ток, обусловленный тем, что часть электронов, испускаемых катодом диода Д1, имеет начальную скорость, достаточную для достижения анода при нулевом или даже небольшом отрицательном напряжении на нем. Для компенсации этого тока обычно используют второй диод (Д2), включаемый так, чтобы его начальный ток протекал через измерителе, в направлении, обратном начальному току диода Д1. Точная установка электрического нуля измерителя производится перед началом измерений с помощью регулируемого резистора R1, необходимое сопротивление которого близко к Rд.

Входное сопротивление амплитудных вольтметров в течение большей части периода измеряемого напряжения очень велико, однако оно резко уменьшается в промежутки времени, когда происходит заряд конденсатора С. В области низких частот среднее за период значение входного сопротивления Rв = Rд/2 (рис. 8, а) или Rв = Rд/3 (рис. 8, б и в). С повышением частоты входное сопротивление уменьшается вследствие возрастания потерь в диэлектриках измерительной цепи. При достаточно большом сопротивлении резистора Rд показания вольтметров мало зависят от параметров применённых диодов, что уменьшает температурную погрешность измерений.

Благодаря включению высокоомных элементов активного сопротивления, определяющих пределы измерений, в цепь выпрямленного тока амплитудные выпрямительные вольтметры пригодны для измерений и на высоких частотах в пределах частотной применимости используемых типов диодов. Характерная для них цепочка из конденсатора С и высокочастотного диода Д1 (рис. 8) является элементом схем входных детекторов электронных вольтметров типа «детектор - усилитель».

Схема высокочастотного амплитудного выпрямительного вольтметра

Рис. 10. Схема высокочастотного амплитудного выпрямительного вольтметра

Следует учитывать, что при подключении амплитудного вольтметра к источнику измеряемого напряжения, в особенности если последнее велико или носит импульсный характер, возможно повреждение точечного диода большим начальным зарядным током входного конденсатора. В импульсных вольтметрах (предназначенных для измерения амплитуд кратковременных импульсных напряжений) это ведёт к необходимости уменьшения ёмкости конденсатора С до тысяч пикофарад, в результате чего повышается нижняя граница рабочего диапазона частот.

На рис. 10 приведена мостовая схема высокочастотного амплитудного вольтметра. Сопротивление его индикаторной цепи Rд + Rи берётся в десятки раз большим (в пределах рабочих частот) прямого сопротивления диодов Д1, Д2 и ёмкостного сопротивления конденсаторов С1 и С2. Чередующиеся полупериоды входного напряжения их вызывают поочерёдно кратковременное отпирание диода Д1 и заряд конденсатора С1, а затем кратковременное отпирание диода Д2 и заряд конденсатора С2. Напряжения на конденсаторах С1 и С2 действуют последовательно и согласно относительно индикаторной цепи, через которую эти конденсаторы в течение большей части периода напряжения их медленно разряжаются. Напряжение на концах индикаторной диагонали близко к удвоенной амплитуде 2Uм, т. е. в схеме происходит удвоение напряжения, что расширяет возможности измерения вольтметром малых переменных напряжений. Изменение пределов измерений может осуществляться с помощью группы переключаемых добавочных резисторов Rд различных номиналов. Параметрами, определяющими влияние таких приборов на исследуемые цепи, являются их входное активное сопротивление и входная ёмкость, которые в области высоких частот оказываются равными единицам килоом и пикофарад соответственно. Рассмотренная схема реализована, в частности, в широкополосном вольтметре типа В3-15, работающем в диапазоне частот от 50 Гц до 300 МГц.

В амплитудных вольтметрах обратное напряжение, приложенное к диодам, в отдельные моменты времени достигает двойной амплитуды измеряемого напряжения 2Uм. Поэтому наиболее высоковольтный предел измерений вольтметра не должен превосходить в амплитудных значениях 0,5Uобр. макс или в среднеквадратических значениях 0,35Uобр.макс. Для повышения расчётного значения напряжения Uобр.макс соединяют последовательно несколько однотипных диодов, каждый из которых шунтируется резистором с сопротивлением примерно в сотни килоом (с целью выравнивания обратных напряжений на диодах).

Во многих случаях измерительной практики желательно иметь квадратичные вольтметры, показания которых в среднеквадратических значениях измеряемого напряжения не зависят от формы последнего. Такие вольтметры являются единственно пригодными для измерения напряжений сложной формы и шумовых сигналов.

Преимущественное применение находят квадратичные вольтметры на диодных цепочках, которые могут иметь широкие пределы измерений при сравнительно небольшой погрешности. На рис. 11, а приведена упрощённая схема измерительного блока электронного вольтметра типа В3-6 (МВЛ-6). Измеряемое напряжение их через широкополосный трансформатор Тр, имеющий равномерную амплитудно-частотную характеристику во всем рабочем диапазоне частот, подводится к линейному двухполупериодному выпрямителю на точечных диодах Д1 и Д2, который преобразует его в пульсирующее напряжение U, повторяющее по форме колебания обеих полуволн напряжения Ux; благодаря последнему показания прибора будут верны и при несимметричной форме Ux. Напряжение U, снимаемое с нагрузочного резистора R1, воздействует на вход диодной цепочки, последовательно с которой включён магнитоэлектрический измеритель И, зашунтированный от переменных составляющих выпрямленного тока конденсатором С большой ёмкости.

Диодная цепочка состоит из группы точечных кремниевых диодов Д3-Д6 с большим обратным сопротивлением, включённых между средними отводами двухрезисторных делителей напряжения R3 и R4, R5 и R6 и т. д. Со стороны выхода к цепочке подводится строго стабилизированное напряжение Uд, регулируемое при калибровке прибора потенциометром R12. Сопротивления каждой пары резисторов делителей напряжения подбирают такими, чтобы при отсутствии измеряемого напряжения (Ux = U = 0) потенциал их точек отвода, равный падению напряжения на нижних (по чертежу) резисторах, последовательно возрастал слева направо, т. е. чтобы получить U4 > U3 > U2 > U1 > U0 = 0. Тогда под действием разностей потенциалов U1 - U0, U2 - U1, U3 - U2, U4 - U3 все диоды Д3-Д6 окажутся закрытыми.

Схема и вольт-амперная характеристика квадратичного вольтметра на диодной цепочке

Рис. 11. Схема и вольт-амперная характеристика квадратичного вольтметра на диодной цепочке.

При воздействии на прибор измеряемого напряжения их потенциал U0 левой точки диода Д3 станет равным и. Если U < U1, то диод Д3 останется закрытым и ток i в цепи измерителя будет ограничиваться большим сопротивлением резистора R2. При этом зависимость между током i и напряжением и будет определять начальный пологий участок 0-1 общей вольт-амперной характеристики диодной цепочки (рис. 11, б). Если же U1 <= u < U2, то откроется диод Д3 и резистор R4 окажется фактически включённым параллельно резистору R2; уменьшение сопротивления в цепи измерителя увеличит скорость нарастания тока i с ростом напряжения и (участок 1-2 характеристики). При U2 <= u < U3 оказываются одновременно открытыми диоды ДЗ и Д4 и параллельное включение резисторов R2, R4 и R6 ещё больше повысит крутизну нарастания тока i (участок 2-3). При правильном расчёте элементов схемы линейные отрезки 0-1, 1-2, 2-3 и т. д. образуют ломаную кривую, сходную с полупараболой, и зависимость между током в цепи измерителя и входным напряжением становится близкой к квадратичной: i ≈ k*u2, где k - коэффициент пропорциональности. При этом постоянная составляющая I выпрямленного тока, регистрируемая измерителем И, оказывается пропорциональной квадрату среднеквадратического значения U измеряемого напряжения: I ≈ k*U2. Чем больше ячеек содержит диодная цепочка, тем ближе ломаная кривая характеристики к полупараболе и тем точнее результаты измерений; практически в диодную цепочку включают до восьми ячеек.

Регулировка и градуировка выпрямительных вольтметров обычно производится на переменном токе частоты 50 Гц при включении прибора по схеме, приведённой на рис. 8. При наличии низкочастотного измерительного генератора желательно снять амплитудно-частотную характеристику вольтметра, т. е. зависимость его показаний от частоты при постоянном значении входного (измеряемого) напряжения.

Измерители выхода

При испытаниях радиоприёмников и усилителей низкой частоты для измерения их выходного напряжения применяют специальные многопредельные выпрямительные вольтметры - измерители выхода. Особенностью этих приборов является примерно одинаковое входное сопротивление на всех пределах измерений; благодаря этому при изменении пределов измерений сохраняется постоянная нагрузка на выходных зажимах испытуемого устройства.

Схема трёхпредельного измерителя выхода приведена на рис. 12. Включённый последовательно с магнитоэлектрическим измерителем И манганиновый резистор R повышает температурную стабильность сопротивления индикаторной цепи. При параметрах измерительного блока Iи.б, Rи.б и выбранных значениях входного сопротивления Rв и самого низковольтного предела измерений Uп1 необходимое сопротивление добавочного резистора

Rд1 = Uп1/Iи.б - Rи.б

должно удовлетворять условию: Rд1 >= Rв - Rи.б; это достигается прежде всего подбором измерителя И достаточной чувствительности. Если указанное условие

удовлетворяется со знаком равенства, то шунта Rш1 не требуется; в противном случае необходим шунт сопротивлением

Rш1 = Rв(RД1 + Rи.б)/(Rд1 + Rи.б - Rв).

При переходе на более высоковольтные пределы: Uп2 = N1/Uп1 и Uп3 = N2*Uп2, измеряемые напряжения подводятся к исходной схеме через делители напряжения, сопротивления которых, выбранные по формулам:

Rд2 = Rв(N1-1)/N1; Rш2 = Rв/(N1-1);

Rд3 = Rв(N1N2-1)/(N1N2); Rш3 = Rв/(N1N2 - 1).

обеспечивают одновременно сохранение входного сопротивления Rв и получение требуемого предела измерений. При этом вольтметр может иметь общую шкалу для всех кратных пределов, поскольку сопротивление цепи, к которой подключён измерительный блок прибора, при переключении пределов измерений изменяется незначительно (при условии малого по сравнению с Rв сопротивления исследуемой цепи).

Схема измерителя выхода

Рис. 12. Схема измерителя выхода

Входное сопротивление вольтметра Rв выбирают обычно 20 кОм, что примерно равно сопротивлению одной пары высокоомных телефонов на частоте 1 кГц. При этом наименьшие пределы измерений, которые удаётся получить с измерителями на 100 и 50 мкА, соответственно равны 3 и 1,5 В.

В некоторых приборах промышленного изготовления (например, типа В3-10А) с целью получения предела измерений 0,3 В (желательного для контроля внутренних шумов приёмников) применяют входной транзисторный усилитель. Он работает по схеме эмиттерного повторителя, которая обеспечивает номинальное входное сопротивление.

Задача 3. Проверить расчёт схемы измерителя выхода (рис. 12), проведённый по следующим исходным данным: пределы измерений 1,5; 15 и 150 В; измеритель типа М494 (Iи = 50 мкА, Rи = 2300 Ом); сопротивление резистора температурной компенсации R = 1500 Ом; диоды типа Д2Е имеют прямое сопротивление r ≈ 1100 Ом. Результаты расчёта приведены на схеме.

Указание. При выбранных элементах измерительного блока ток Iи.б ≈ 1,25Iи, а Rи.б ≈ 2r + Rи + R.

Измерение уровня передачи

Для оценки эффективности передачи сигналов по линиям связи, через усилительные и переходные устройства часто пользуются понятием уровня передачи (усиления, ослабления).

Уровень передачи определяет значение сигнала в относительных логарифмических единицах - децибелах, посредством которых напряжение U2 или мощность Р2 измеряемого сигнала сравнивается с некоторым исходным значением. Если в качестве исходных величин выбраны напряжение U0 = 0,775 В или мощность Р0 = 1 мВт (которая действует на элементе с сопротивлением R0 = 600 Ом при напряжении на нем U0 = 0,775 В), то соответствующие уровни передачи называются абсолютными. Различают абсолютный уровень передачи по напряжению

Aн = 20*Lg(U2/U0) = 20lg(U2/0,775)

и абсолютный уровень передачи по мощности

Aм = 10*Lg(Р2/Р0) = 10*Lg(Р2/0,001).

Например, напряжению U2 = 3 В и мощности Р2 = 1 Вт соответствуют абсолютные уровни передачи Aн ≈ 12 дБ и Aм = 30 дБ. При напряжении (мощности) сигнала, меньшем исходного значения, абсолютный уровень передачи будет отрицательным. Например, при U2 = 0,5 В получаем Aн ≈ -3,8 дБ.

Если в качестве исходных величин выбраны напряжение U1 или мощность Р1, действующие в каком-либо сечении цепи, то соответствующие уровни передачи называются относительными и определяются формулами:

αн = 20*Lg(U2t/U1); αм = 10*Lg(Р2/Р1).

Если индексы «2» и «1» относятся соответственно к выходу и входу цепи (установки), то величины αн и αм при их положительных значениях определяют уровень усиления сигнала по напряжению или мощности, а при их отрицательных значениях - уровень ослабления (затухания) сигнала. Например, если на входе усилителя действует напряжение U1 - 20 мВ, а напряжение на выходе U2 = 40 В, то уровень усиления сигнала по напряжению αн ≈ 20*3,3 = 66 дБ.

В некоторых вольтметрах переменного тока предусматривают возможность непосредственного измерения абсолютных уровней передачи по напряжению. Для этого используется один из низковольтных пределов измерения переменного напряжения, например, 5 В, шкала которого дополняется числами отсчёта в децибелах. Нуль шкалы децибел (Aн = 0) совпадает с точкой шкалы вольтметра U0 = 0,775 В; предельному напряжению Uп = 5 В соответствует уровень Ан = 16,2 дБ. Другой крайней точкой шкалы децибел можно выбрать уровень Ан = -10 дБ при U = 0,245 В. Шкала децибел получается весьма неравномерной, и погрешность отсчёта по ней увеличивается с возрастанием отклонения исследуемой величины от исходного значения шкалы.

Если измеряемый уровень передачи Ан > 16 дБ, то для его определения (с пониженной точностью) может быть использован более высоковольтный предел вольтметра с предельным значением Uп > 5 В. В этом случае к отсчёту по шкале децибел нужно добавлять постоянную величину

ΔAн = 20*Lg(Uп/5).

Например, при измерении на пределе с Uп = 20 В получаем ΔAп = 20*Lg4 = 12 дБ.

Если измерение уровня Aн производится на нагрузке с известным сопротивлением R, то можно рассчитать абсолютный уровень передачи по мощности:

Aм = Aн - 10Lg(R/600).

Результаты измерения и расчёта будут правильны лишь в том случае, если на выбранном пределе измерений входное сопротивление вольтметра Rв >> R. В частном случае, если R = 600 Ом, то Aм = Aн.

Относительный уровень передачи (усиления, ослабления) между любыми двумя сечениями цепи 1 и 2 можно определить как разность абсолютных уровней в каждом из этих сечений:

αн = Aн2 - Aн1; αм = Aм2 - Aм1;

Логарифмические вольтметры и индикаторы

Логарифмические вольтметры и индикаторы представляют собой однопредельные приборы, позволяющие оперативно измерять или контролировать уровни напряжений или токов, изменяющиеся в процессе наблюдения в очень широких пределах (в десятки и сотни раз). Они находят применение при электроакустических измерениях, измерении напряжённости поля, снятии характеристик фильтров и в ряде других случаев. Эти приборы должны обладать переменной чувствительностью, высокой при слабых входных сигналах и постепенно понижающейся с возрастанием уровня сигнала. Их шкалы при производстве отсчёта в единицах измеряемого напряжения имели бы логарифмический характер, однако при выполнении отсчёта в относительных единицах - децибелах они получаются почти равномерными.

Требуемый вид градуировочной характеристики прибора обычно достигается посредством логарифмического преобразования тока в цепи измерителя, например в результате шунтирования последнего специально подобранным полупроводниковым диодом Д, включённым в пропускном направлении (рис. 13). При малых токах в общей цепи (до десятков микроампер) прямое сопротивление диода велико и его влияние не существенно; с увеличением измеряемого тока сопротивление диода уменьшается и его шунтирующее действие возрастает. При весьма больших токах диод надёжно предохраняет измеритель И от опасных для него перегрузок. Сопротивление подстроечного резистора R опытным путём (при данном конкретном диоде Д) подбирается таким, чтобы при расчётном значении измеряемого тока Iп получить отклонение стрелки измерителя И на всю шкалу.

Схема логарифмизации шкалы измерителя с помощью точечного диода

Рис. 13. Схема логарифмизации шкалы измерителя с помощью точечного диода

Логарифмические вольтметры аналогично квадратичным вольтметрам (рис. 11) часто выполняются на диодных цепочках. Исследуемый сигнал после его выпрямления подводится к измерительному блоку через делитель напряжения, одно из плеч которого является нелинейным. Это плечо обычно состоит из ряда параллельно включённых ветвей, содержащих по резистору и точечному диоду; к последнему подводится опорное напряжение определённого значения, которое изменяется с некоторым шагом от одной ветви к другой. По мере роста измеряемого напряжения увеличивается число открытых диодов, что ведёт к уменьшению коэффициента деления напряжения. Такие вольтметры имеют динамический диапазон измерений до 50 дБ и используются при снятии частотных и других характеристик радиоцепей.

К логарифмическим индикаторам относятся S-метры, применяемые в приёмниках любительской радиосвязи для индикации настройки и измерения силы (уровня) принимаемых сигналов по условной 9-балльной шкале логарифмического типа. Простейший S-метр представляет собой встроенный в приёмник милли- или микроамперметр в цепи постоянной составляющей анодного (коллекторного) тока последнего каскада усиления ПЧ. S-метры выполняются также по схеме электронного вольтметра типа «детектор - усилитель», измеряющего напряжение на выходе усилителя ПЧ, усилителя АРУ или на нагрузке детектора. В большинстве случаев измеритель S-метра включается в диагональ мостовой или балансной схемы, которую уравновешивают при отсутствии сигнала на входе приёмника.

Логарифмический характер шкалы S-метра обусловлен действием системы АРУ приёмника, уменьшающей усиление с возрастанием уровня принимаемых сигналов.

Меерсон А. М.

BACK MAIN PAGE

Рейтинг@Mail.ru