Лекція 5. Випрямні прилади
План
1.
2.
3.
4.
5.
5.1. Принцип роботи. Основні схеми і властивості випрямляючих пристроїв
5.2. Вольтметри з детекторами середньовипрямленого значення
1.
2.
3.
4.
5.
5.1. Принцип роботи. Основні схеми і властивості випрямляючих пристроїв
Випрямляючі пристрої складаються з випрямляючої схеми на напівпровідникових діодах та вимірювача магнітоелектричної системи. Вимірювальна змінна напруга (або струм) перетворюється в пульсуюче, середньовипрямлене значення якого (постійна складова) вимірюється вимірювачем. Випрямляюча дія діодів характеризується коефіцієнтом випрямлення:
Кв=Іпр/Ізвор=Rзвор/Rпр. (5.1)
Із збільшенням частоти вимірюваної напруги коефіцієнт випрямлення зменшується, перехід сильніше шунтується внутрішньою ємністю діода, яка пропускає змінний струм і випрямлений струм зменшується. Для розширення частотного діапазону пристрою в його схему вводять частотну корекцію. Із збільшенням температури навколишнього середовища зменшується Rзвор і Rпр. Але температурний коефіцієнт Rзвор значно більший, ніж Rпр, і тому Кв зменшується, а похибка вимірювання збільшується. Для зменшення похибки в схему приладу вводять температурну компенсацію.
Випрямляючі схеми виконуються по одно- чи двоперіодних схемах. На рис. 5.1, а, приведена схема пристрою з одноперіодним випрямлячем, а на рис. 5.1, б – графіки зміни напруги і струму. У цій схемі через діод Д1 проходить струм тільки протягом половини періоду, зворотна півхвиля пропускається діодом Д2. Крім того, діод Д2 захищає Д1 від можливого пробою зворотною півхвилею. Якщо R=Rвн вимірювача, то опір пристрою струму обох напрямків прирівнюється. Така схема випрямляючого приладу не порушує режиму роботи вимірювального кола, бо його опір малий і однаковий для обох півперіодів.
Рис. 5.1. Схема пристрою з однопівперіодним випрямлячем та графіки вимірювання напруги
При двоперіодному випрямленні (рис. 5.2. а, б) випрямлений струм івим проходить через кожний півперіод. Протягом однієї половини періоду струм по колу Д4, ВМ, Д1, а протягом другої – по колу Д2, ВМ, Д3. Чутливість таких приладів збільшується у два рази порівняно з приладами з однопівперіодним випрямленням; крім цього, вони дозволяють правильно вимірювати струм, який містить постійну складову. Але однопівперіодна схема широко застосовується як більш проста і дешевша. При використанні вольтметрів з однопівперіодними випрямлячами потрібно пам’ятати, що їх покази пропорційні середньому значенню позитивних чи негативних півперіодів вимірюваної напруги в залежності від полярності ввімкнення діодів. Випрямляч із симетричною мостовою схемою більше, ніж інші при вимірюванні, вносить похибку від температури навколишнього середовища, бо під час дії кожної півхвилі має місце послідовне з’єднання діодів.
Через це часто застосовуються випрямлячі з несиметричною мостовою схемою, в якій два діоди заміняються резисторами R1 і R2 (рис. 5.3, а), що мають однаковий опір. При цьому зменшується залежність показів приладу від навколишньої температури, але збільшується використання енергії і знижується чутливість схеми в результаті того, що в кожний півперіод частина струму обминає вимірювач ВМ.
Рис. 5.2. Схема пристрою з двопівперіодним (мостовим) випрямлячем та графіки вимірювання напруги та струму
Рис. 5.3. Схеми пристроїв з несиметричними мостовими випрямлячами
Схему (рис. 5.3, б) зручно використовувати при вимірюванні більших струмів, бо в ній в кожний півперіод один із опорів (R1 чи R2) виконує роль шунта. Підбираючи значення R1 і R2, можна змінити верхню границю вимірюваного струму. У схемах рис. 12.3, вольтметр, який складається із мікроамперметра ВМ та додаткового резистора Rд, вимірює напругу на резисторі R1 в один півперіод (в той же час напруга на резисторі R2 фактично дорівнює нулю) і на резисторі R2 – в другому (в той час напруга на резисторі R1 практично дорівнює нулю).
Конденсатор С зменшує напругу пульсації між точками підключення кола ВМ (усуває тремтіння стрілки при вимірюванні на низьких частотах), а також зменшує вплив індуктивного опору рамки вимірювача на величину і форму вимірюваного струму.
Випрямляючі міліамперметри, зазвичай, виконуються без шунтів. Амперметри комплектуються шунтами, що зменшують струм у вимірювачі і густину струму в діодах, а також компенсують температурні і частотні похибки. Тому шунти виготовляють із манганіну і міді. Схеми таких амперметрів наведено на рис. 5.4. Резистор Rt виготовляють із міді, яка має позитивний температурний коефіцієнт опору, що компенсує зміни еквівалентного опору випрямляча, який має негативний температурний коефіцієнт опору.
Рис. 5.4. Схеми випрямних амперметрів із температурною і частотною компенсацією
Додаткова температурна похибка через зменшення коефіцієнту випрямлення компенсується тим, що в колі шунта вводиться резистор R1, також виготовлений із міді. Із збільшенням температури навколишнього середовища збільшується його опір, в результаті чого збільшується частина струму, що надходить у випрямляючу схему. Резистор R2 виготовляють із манганіну.
Для компенсації додаткової похибки від вимірювання частоти вмикається котушка індуктивності L (рис. 5.4, а) або конденсатор С (рис. 5.4, б). У першому випадку із збільшенням частоти збільшується реактивний опір ХL=2 
fL, що також приводить до збільшення струму в колі випрямляча. У другому – із збільшенням частоти шунтуюча дія конденсатора С на Rt2 збільшується, що зменшує опір в колі випрямляча, в результаті чого струм в його колі збільшується і компенсує зменшення коефіцієнта випрямлення. Точність випрямляючих амперметрів обмежується класом 2,5, у кращому випадку – 1,5.
Границі вимірювань випрямляючих приладів великі: амперметри від 0,2 мА до декількох десятків ампер; вольтметри від 0,3 В до декількох сотень вольт. Випрямляючі амперметри широко поширені в радіотехнічних вимірюваннях.
Випрямляючі прилади, що вимірюють середнє випрямлене зна-чення змінного струму (напруги) можуть градуюватися в середньоквадратичних значеннях для різної форми кривої. Найчастіше вони градуюються в середньоквадратичних значеннях синусоїдної напруги. При вимірюванні несинусоїдної напруги це градуювання недостовірне. Середньоквадратичне значення напруги не синусоїдної форми визначаються шляхом такого перерахунку:
(5.2)
де Uх і Кф – відповідно середньоквадратичне значення і коефіцієнт форми вимірюваної несинусоїдної напруги;
Uа – значення показу вимірювального приладу (коефіцієнт форми визначається відношенням середньоквадратичного значення напруги до середньовипрямленого значення).
Початкова ділянка шкали приладу звужена через нелінійності вольтамперної характеристики діода. Починаючи приблизно з десятої частини довжини шкали її можна вважати практично рівномірною.
Перевагами випрямляючих приладів є: простота будови і порівняно висока чутливість, а недоліком – невисока точність (класи 1,5; 2,5; 4,0) і порівняно вузький робочий діапазон частот (до 200 кГц).
Випрямляючі пристрої в основному використовуються при вимірюванні синусоїдних струмів і напруг; діапазон робочих частот приладів залежить від типу використовуваного діода (від його внутрішньої ємності) і наявність частотної компенсації. Крім того, на основі випрямляючої системи створюють комбіновані прилади для вимірювання постійних і змінних напруг і струмів та опору постійного струму – ампервольтметрів. Такі прилади широко використовуються на практиці; випрямляючі прилади відносяться за класифікацією до групи “Ц”, наприклад, вольтметр Ц330.
5.2. Вольтметри з детекторами середньовипрямленого значення
Напівпровідникові випрямлячі – детектори середньо-випрямле-ного значення застосовуються також в схемах лінійних вольтметрів групи В3. Розрізняють детекторні і електронні лінійні вольтметри. На відміну від детекторних електронні вольтметри мають більший вхідний опір і чутливість, широкий частотний діапазон. До таких приладів відносяться вольтметри В3-28А, В3-38, В3-39 і В3-41.
Застосовуючи у випрямляючих схемах точкові германієві і кремнієві діоди з внутрішньою ємністю порядку 1 пФ, можна розширити частотні границі детекторних лінійних вольтметрів до сотень МГц, не застосовуючи схем частотної корекції.
Детекторні лінійні вольтметри широко застосовуються для наближених вимірювань. Вони прості за конструкцією, портативні, стійкі до перевантажень, можуть мати більші межі вимірювань, але у них порівняно невеликий вхідний опір. Так, наприклад, вольтметр В3-15А має:
– діапазон вимірювальної напруги 150 мВ – 250 В;
– діапазон частот 50 Гц – 300 МГц;
– номінальний діапазон частот 1000 Гц – 100 МГц;
– основну приведену похибку в номінальному діапазоні частот ±4%, а в розширеній області ±(6-10)%;
– вхідний опір 50 кОм.
Детекторні лінійні вольтметри – вимірювачі виходу (вольтметри В3-10А і В3-44 та ін.) застосовують для вимірювання в області звукових частот.
Рис. 5.5. Схема вимірювача виходу з постійним Rвх
Характерною властивістю цих приладів є те, що вони мають Rвх=20 кОм на будь-якій межі вимірювання, тобто незалежно від значення вимірюваної напруги. Така вимога ставиться до приладу, який застосовується для вимірювання вихідної напруги (зняття частотної характеристики) підсилювачів низької частоти і радіоприймачів. Стабільність Rвх досягається одночасним переключанням послідовних (додаткових) і паралельних резисторів, при цьому якщо опір перших збільшується, то опір других зменшується, і навпаки. Схема вимірювача виходу з постійним Rвх зображена на рис. 5.5.
Вхід приладу В3-10А на межах від 0,3 і вище – відкритий, а на межі 0,3В – закритий. Через це якщо вимірюється напруга, яка містить постійну складову, то вольтметр на всіх межах, крім 0,3В, приєднується до вимірювальної схеми через розділяючий конденсатор з ємністю не менше 2 мкФ, на робочій напрузі 400 В.
Шкала детекторних лінійних вольтметрів, звичайно, градуюється в середньоквадратичних значеннях синусоїдної напруги, що треба враховувати при вимірюванні напруг іншої форми.
Детекторні лінійні вольтметри також використовуються у вимірювальній апаратурі для встановлення потрібних вихідних напруг (також вольтметри вмонтовані в генератори типів Г3-4, Г3-33, Г3-36 та ін.).
Запитання
1. З чого складаються випрямляючі пристрої?
2. Назвіть границі вимірювань випрямляючих приладів.
3. Охарактеризуйте випрямляючі пристрої.
4. Для чого використовуються випрямляючі пристрої?
5. Що таке напівпровідникові випрямлячі?
6. Дайте характеристику вольтметра В3-15А.
7. Як градуюється шкала детекторних лінійних вольтметрів?
8. Де використовуються детекторні лінійні вольтметри?
9. Які ви знаєте детекторні лінійні вольтметри?
10. Чим відрізняються детекторні вольтметри від електронних?