Преобразователи мгновенных значений напряжений и токов

Рассматриваемые ниже преобразователи нашли широкое применение в аналоговых измерительных приборах в качестве детекторных устройств.

По характеру преобразования различают преобразователи средневыпрямленных, среднеквадратических и пиковых значений, а по типу используемых преобразовательных элементов наибольшее применение находят полупроводниковые и термоэлектрические. С точки зрения влияния на схему постоянной составляющей сигнала различают преобразователи с открытым и закрытым входами.

Преобразователи средневыпрямленных значений (линейные) выполняют функцию преобразования переменного напряжения в постоянное, пропорциональное средневыпрямленному значению. Они осуществляют трансформацию мгновенных значений u (t) в модуль |и (Г)|.

Преобразователи средневыпрямленных значений работают по схемам двухполупериодного или однополупериодного выпрямления.

В качестве выпрямительных элементов используют полупроводниковые диоды. Выпрямляющее действие таких диодов определяется коэффициентом выпрямления.

где /_пр и /_(йр — соответственно прямой и обратный ток диода;

R_np и /?"_6р — соответственно прямое и обратное сопротивление диода.

Значение коэффициента выпрямления для современных полупроводниковых диодов составляет порядка 10³… 10⁶

Проанализируем работу преобразователя, собранного по двухполупериодной схеме (рис. 1.6).

При положительной полуволне измеряемого напряжения U (t) прямой ток /_пр проходит через диод Д, резистор Л и диод Д. Если считать диоды одинаковыми и пренебречь обратным током, то можно записать.

При отрицательной полуволне измеряемого напряжения U (t) прямой ток /_11р проходит через диод Д, резистор R и диод Д.

Рис. 1.6. Двухполупериодные преобразователи средневыпрямленных значений: а, б— схемы; в — временная диаграмма Соответственно напряжение на резисторе R определяется выражением.

Фильтр нижних частот (ФНЧ) выполняет операцию усреднения напряжения U_R:

где  — средневыпрямленное значение U (t).

В аналоговых СИ, где в качестве индикатора используются электромеханические измерительные механизмы, функции ФНЧ выполняет непосредственно сам измерительный механизм.

В обшем случае вольтамперные характеристики диодов не строго линейны, а значит, нелинейно Л_пр, и U_mx будет нелинейно связано с измеряемым напряжением, следовательно, преобразователь будет выполнять операции нахождения модуля U (t) с погрешностями. Для линеаризации рассматриваемого преобразователя сопротивление R выбирают значительно больше, чем Л_пр, тогда прямой ток можно считать линейно зависящим от ?/(/). Нос увеличением значения R снижается чувствительность преобразователя, т. е. чем больше R, тем меньше (/"_ых при том же ?/(?).

На практике часто используют также преобразователи, собранные по схеме с двумя диодами (рис. 1.6, б). В данном случае при положительном полупериоде ток проходит через D₂ и R₂, а при отрицательном полупериоде — через Д, и /?, т. е. в данной схеме роль нагрузочного сопротивления выполняют резисторы Л, и R₂.

Кроме рассмотренных преобразователей, собранных по схеме двухполупериодного выпрямления, используют также преобразователи однополупериодного выпрямления. В таких преобразователях ток через измерительный прибор протекает только в течение одного полупериода измеряемого напряжения (/(/). Чувствительность преобразователей с однополупериодным выпрямлением в два раза меньше, чем чувствительность преобразователей с двухполупериодным выпрямлением.

Преобразователи среднеквадратических значений (квадратичные) выполняют операцию квадратирования измеряемого напряжения (операцию возведения в квадрат). Такую операцию могут выполнять детекторы, обладающие квадратичной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). В современных преобразователях операция квадратирования обычно осуществляется с помощью диодных аппроксиматоров и термоэлектрических преобразователей.

Диодные аппроксиматоры обычно выполняют на диодных цепочках, обеспечивающих с достаточной степенью приближения формирование параболы [2]. Суть работы таких преобразователей состоит в том, что ветвь параболы / = bU²_m аппроксимируется ломаной линией (рис. 1.7, а). Для получения такой аппроксимации необходимо иметь набор элементов, обладающих следующими свойствами:

• — характеристики элементов должны быть линейны;
• — наклоном этих характеристик можно управлять;
• — характеристики должны начинаться с определенного значения Е.

Всем этим требованиям удовлетворяют элементы в виде диода и двух резисторов (рис. 1.7, б).

Рис. 1.7. Диодный аппроксиматор среднеквадратических значений: а — ВАХ; б — электрическая схема Линейность характеристики в таких ячейках обеспечивается подбором сопротивлений резистора /?, и прямого сопротивления диода так, что /?, «R»_р, наклон характеристики (угол а,) зависит от величины /?, начало характеристики определяется смешением Е_п поданным на диод с делителя /?, /?:

Чем больше рассмотренных ячеек включено в общую схему аппроксиматора, тем выше качество приближения ломаной линии к параболе.

К недостаткам диодных аппроксиматоров можно отнести температурную зависимость ВАХ, а также влияние на точность аппроксимации емкости диодов на высоких частотах.

При работе на высоких частотах выпрямляющие свойства полупроводниковых диодов резко ухудшаются из-за наличия емкости р-п перехода, поэтому в области высоких частот в качестве преобразователей среднеквадратических значений применяются термоэлектрические преобразователи.

Действие термоэлектрических преобразователей основано на свойствах термопреобразуюших элементов. Практическое применение находят преобразователи на термопарах и терморезисторах.

Преобразователь на термопарах (рис. 1.8) представляет собой нагреватель, по которому протекает измеряемый ток /(/), и связанную с ним термопару.

Рис. 1.8. Термоэлектрический преобразователь на термопаре.

Принцип действия преобразователя основан на возникновении термоЭДС в месте соединения двух разнородных проводников при их нагреве. Возникающая на свободных концах термопары термоЭДС Е_т пропорциональна разности температур:

где, а — коэффициент пропорциональности, зависящий от материала и конструкции термопары;

Т_п Т_х — температура горячего и холодного спая соответственно.

В установившемся состоянии температура горячего спая Т_г постоянна и определяется рассеиваемой на нагревателе мощностью. Следовательно, справедливо равенство.

где Л_тп — собственное сопротивление термопары; к — коэффициент теплоотдачи.

Из выражений (1.5) и (1.6), исключив (Т_х — Т_х), получаем.

где а_т = а RJk — коэффициент пропорциональности.

Рассматриваемые термопреобразователи могут использоваться в широком диапазоне частот. Преобразованная при этом величина не зависит от формы кривой исследуемого сигнала. Однако термопреобразователи обладают повышенной чувствительностью к перегрузкам, тепловой инерционностью, значительным собственным потреблением мощности и зависимостью термоЭДС от температуры окружающей среды.

Преобразователи на терморезисторах в основном применяют в приборах для измерения мощности в области высоких частот, преобразовательными элементами в этом случае служаттермисторы. Преобразователи на терморезисторах выполняют, как правило, по мостовой схеме. Их принцип действия основывается на разбалансе моста при измерении собственного сопротивления терморезистора.

Преобразователи пиковых значений должны обеспечивать напряжение на своем выходе в соответствии с пиковым значением преобразуемого сигнала. Для такого преобразования необходимы элементы памяти, запоминающие пиковое значение напряжения. Таким элементом обычно служит конденсатор, заряжаемый через диод до пикового значения. В зависимости от места включения конденсатора различают пиковые детекторы с открытым и закрытым входами.

Если на пиковый детектор с открытым входом (рис. 1.9, а) подается синусоидальное напряжение U (l) = U_m si под, то конденсатор С заряжается по цепи: источник напряжения U (t) с внутренним сопротивлением R_i — открытый диод с сопротивлением R_np — конденсатор С — источник напряжения U (t). Постоянная времени заряда конденсатора т₃ = (Ri + RJC. Если постоянная времени т₃ мала и меньше периода исследуемого сигнала (т₃ < 7), то в момент Г, диод будет закрыт напряжением быстро зарядившегося конденсатора. Затем конденсатор начнет разряжаться по цепи: верхняя обкладка конденсатора С — резистор /?, — нижняя обкладка конденсатора С. Постоянная времени разряда т_р = R"C. Параметры схемы подбираются так, чтобы т_р «т₃, т. е. чтобы за время отрицательной полуволны напряжения U (t) разряд конденсатора был незначительным. Очередной заряд конденсатора при следующей положительной полуволне начнется в момент Г₂, когда измеряемое напряжение U (t) станет больше напряжения U_c на конденсаторе С. Через несколько периодов быстрого заряда и медленного разряда конденсатора на нем установится постоянное среднее напряжение U_cp, почти равное амплитуде U_m. В установившемся режиме U_cp ~ U_m, т. е. среднее значение напряжения на конденсаторе С поддерживается близким к амплитудному значению U», измеряемого напряжения. Однако U_cp всегда отличается от U_m на некоторую величину, поэтому на интервале времени [Г₂, ?₃] (рис. 1.9, б) через диод проходит небольшой импульс тока, пополняющий заряд конденсатора С.

Рис. 1.9. Преобразователь пиковых значений с открытым входом: а — схема; 5— временные диаграммы в установившемся режиме.

Часть периода синусоидального сигнала на интервале ₂, f₃], т. е. когда ток проходит через диод, оценивается углом отсечки 0. Напряжение U_cp тем ближе к U_m, чем меньше угол отсечки 0:

В теории идеального детектора устанавливается зависимость между углом отсечки 0 и параметрами схемы [3]:

Из соотношений (1.7) и (1.8) следует, что равенство U_cp = U_m выполняющееся при 0 = 0, практически не может быть реализовано, так как R, — ^ 0 и R_H *

Если измеряемое напряжение U (t) = U₀ + U_m sinco/, т. e. имеется постоянная составляющая ?/₀, то она также через диод поступит в цепь заряда конденсатора С, который зарядится до напряжения U_c~ U₀ + U_m.

В пиковых детекторах с закрытым входом (рис. 1.10, дг) диод подключен параллельно резистору нагрузки R_u.

Рис. 1.10. Преобразователь пиковых значений с закрытым входом: а — схема; б — временные диаграммы в установившемся режиме При подаче на вход напряжения U (t) = U_m sinw/физический процесс выпрямления здесь такой же, как в схемах с открытым входом, имеется лишь некоторое различие в цепях заряда и разряда конденсатора. Если пренебречь шунтирующим действием ФНЧ, т. е. считать, что входное сопротивление ФНЧ много больше сопротивления резистора R", то постоянная времени заряда конденсатора Ссоставит т₃ = (R, + /?_пр)С, а постоянная времени разряда т_р = (Л, + R_U)C. При соблюдении условий т_р «т₃, как и в схеме с открытым входом, в установившемся режиме среднее значение напряжения на конденсаторе.

U_cp приблизительно равно максимальному значению входного напряжения (/",.

Основное отличие данной схемы от схемы с открытым входом состоит в том, что выходное напряжение U_Rn детектора определяется как результат взаимодействия входного напряжения и напряжения на конденсаторе:

Это напряжение изменяется почти от 0 до —2U", (см. рис. 1.10, б), т. е. является пульсирующим. Для устранения этого негативного явления используют ФНЧ, пропускающий только постоянную составляющую пульсирующего напряжения, следовательно, на выходе ФНЧ будет присутствовать напряжение (/_ср ~ (/",.

Таким образом, при измерении напряжений, не содержащих постоянных составляющих, пиковые детекторы с открытым и закрытым входами дают одинаковые результаты. Если на пиковый детектор с закрытым входом подать напряжение с постоянной составляющей U₀, то он не будет реагировать на наличие постоянной составляющей и выходное напряжение будет пропорционально только амплитуде переменной составляющей.