Тема: Расчет делителей напряжения и их использование при измерениях

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-12

Теоретическая часть

На рисунке 5.1. представлена простая схемаделителя напряжения. Предположим здесь и далее, что нагрузки на выходе нет, тогда ток определяется следующим образом:

. (5.1)

Обратите внимание, что выходное напряжение всегда меньше входного (или равно ему); поэтому мы говорим о делителе напряжения.

Рисунок 5.1

Делители напряжения часто используют в схемах для того, чтобы получить заданное напряжение из большего постоянного (или переменного) напряжения. Например, если в качестве R₂ взять резистор с регулируемым сопротивлением, то мы получим не что иное, как схему с управляемым выходом.

Составим эквивалентную схему делителя:

1. Напряжение при разомкнутой цепи: .

2. Ток замкнутой накоротко цепи: .

Тогда эквивалентная схема представляет собой источник напряжения , к которому последовательно подключен резистор с сопротивлением (рисунок 5.2).

Приведенный пример показывает, что делитель напряжения не может служить хорошей батареей, так как его выходное напряжение существенно уменьшается при подключении нагрузки.

Рисунок 5.2

Эквивалентное сопротивление источника и нагрузка схемы. Делитель напряжения, на который подается некоторое постоянное напряжение, эквивалентен некоторому источнику напряжения с последовательно подключенным к нему резистором. Подключение резистора в качестве нагрузки вызывает падение напряжения на выходе делителя, обусловленное наличием некоторого сопротивления источника (вспомним эквивалентное сопротивление для делителя напряжения, если его выход выступает в качестве источника напряжения). Очень часто это явление нежелательно. Один подход к решению проблемы создания «устойчивого» источника напряжения (называемого «устойчивым» в том смысле, что он не поддается действию нагрузки) состоит в использовании в делителе напряжения резисторов с малыми сопротивлениями. Иногда этот прямой подход оказывается полезным. Однако лучше всего для создания источника напряжения, или как его часто называют, источника питания, использовать активные компоненты, такие, как транзисторы или операционные усилители. Этот подход позволяет создать источник напряжения, внутреннее сопротивление которого (или эквивалентное сопротивление) составит миллиомы (тысячные доли ома), при этом не требуются большие токи и не рассеивается значительная мощность, что характерно для низкоомного делителя напряжения с такими же рабочими характеристиками. Кроме того, в активном источнике питания не представляет труда регулировка выходного напряжения.

Понятие эквивалентного внутреннего сопротивления применимо ко всем типам источников, а не только к батареям и делителям напряжения. Все источники сигналов (например, генераторы синусоидальных сигналов, усилители и измерительные приборы) обладают эквивалентным внутренним сопротивлением. Подключение нагрузки, сопротивление которой меньше или даже сравнимо с внутренним сопротивлением, вызывает значительное уменьшение выходного параметра. Нежелательное уменьшение напряжения (или сигнала) разомкнутой цепи за счет подключения нагрузки называется «перегрузкой цепи». В связи с этим следует стремиться к тому, чтобы выполнялось условие , так как высокоомная нагрузка оказывает небольшое ослабляющее влияние на источник. Условие высокоомности является обязательным для таких измерительных приборов, как вольтметры и осциллографы.

При расширении пределов измерений электростатических вольтметров, используются емкостные делители напряжения. Для их расчета необходимы следующие формулы:

Измерения больших переменных напряжений и токов обычными аналоговыми электромеханическими приборами становится возможным при включении их в цепь через измерительные трансформаторы переменного тока (рисунок 5.3 а) и напряжения (рисунок 5.3 б). Использование делителей напряжения и шунтов для этих целей нецелесообразно и даже опасно для обслуживающего персонала.

Принцип действия ИТ совпадает с принципом действия обычных трансформаторов. Во вторичную цепь трансформаторов тока включаются амперметры, последовательные обмотки счетчиков, ваттметров, цепи релейной защиты и управления; ко вторичной обмотке трансформаторов напряжения подключаются вольтметры, параллельные цепи ваттметров, счетчиков и других приборов.

а) б)

Рисунок 5.3

Стационарные измерительные трансформаторы переменного тока имеют следующие эксплуатационные характеристики: частота 50 Гц; номинальное напряжение U_1ном трансформаторов напряжения – от 0.38 до 750 кВ, вторичное напряжение U_2ном – 150; 100; В; классы точности трансформаторов напряжения – 0,05; 0,01;0,2; 0, 5; 1,0; 3,0; номинальный первичный ток I_1ном трансформаторов тока – 1 А...40 кА, номинальный вторичный ток I_2ном – 1; 2; 2,5; 5 А; номинальная нагрузка вторичной цепи – 2,5; 5; 10; 25; 30; 40; 60; 75; 100 Вт; классы точности трансформаторов тока – 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 10,0.

Измерительные трансформаторы переменного тока. Для удобства и безопасности измерения тока установок высокого напряжения ток вторичной цепи с помощью трансформатора тока изменяется до стандартного значения 5А или 1 А.

Измерительные приборы и реле выполняются на эти токи и включаются в цепь вторичной обмотки трансформатора тока, один вывод которой обязательно заземляется (рисунок 5.3 а).

В случае повреждения изоляции трансформатора приборы и реле остаются под потенциалом земли. Отличительной особенностью режима работы трансформатора тока является то, что первичный ток не зависит от режима работы его вторичной цепи и остается неизменным при замыкании накоротко или размыкании вторичной цепи. Это связано с тем, что ток в первичной обмотке определяется сопротивлением нагрузки Z₁, которое на несколько порядков выше, чем входное сопротивление трансформатора со стороны первичной обмотки при любом значении сопротивления Z₂. Поэтому предохранитель во вторичной цепи не ставится, так как разрыв этой цепи является аварийным режимом для трансформатора тока.

Измерительные трансформаторы напряжения служат для преобразования высокого напряжения в низкое напряжение стандартной величины, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принято 100 В или В. Это позволяет для измерения любого напряжения применять одни и те же стандартные измерительные приборы. Реле защиты, реагирующие на напряжение, также изготовляются на стандартное напряжение независимо от напряжения установки.

Первичная обмотка трансформатора изолируется от вторичной соответственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется. Таким образом, трансформатор напряжения изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание.

Схема включения однофазного трансформатора напряжения дана на рисунке 5.3 б. Первичная обмотка 1 присоединена к цепи высокого напряжения через предохранители 3. Вторичная обмотка 2 питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители 4. В трансформаторах напряжения нормальной конструкции заземляются и вторичная обмотка 2 и сердечник 5.

Предохранители 4 служат для защиты трансформатора напряжения от коротких замыканий в цепи вторичной нагрузки. Предохранители 3,установленные на высоковольтной стороне, служат для защиты сети от короткого замыкания в трансформаторе. Для облегчения отключения желательна установка токоограничивающих предохранителей типа ПКТ или стреляющих с ограничивающим сопротивлением.

Вследствие высокого сопротивления самого трансформатора при возникновении короткого замыкания во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и его величина недостаточна для срабатывания предохранителей 3.

Задачи

1. Что покажет вольтметр на 20000 Ом/В при шкале диапазона 1 В, если его подключить к источнику напряжения 1 В с внутренним сопротивлением 10 кОм? Что покажет этот прибор, если его подключить к делителю напряжения с плечами 10 кОм – 10 кОм, питающемуся от источника постоянного напряжения (с нулевым сопротивлением) с напряжением 1 В?

2. Измерительный прибор с максимальным отклонением указателя, соответствующим току 50 мкА, имеет внутреннее сопротивление, равное 5 кОм. Какое шунтирующее сопротивление нужно подключить, чтобы прибор измерял ток в пределах 0 – 1 А? Какое сопротивление нужно подключить последовательно для того, чтобы прибор мог измерить напряжение в пределах 0 – 10 В?

3. Для схемы, показанной на рисунке 5.2, = 30 B, = = 10 кОм. Требуется определить: а) выходное напряжение в отсутствие нагрузки (напряжение разомкнутой цепи); б) выходное напряжение при условии, что подключена нагрузка 10 кОм (представьте схему в виде делителя напряжения, и объедините в один резистор); в) эквивалентную схему; г) выходное напряжение при том же условии, что и в п.«б», но для эквивалентной схемы здесь придется иметь дело с делителем напряжения; ответ должен быть таким же, как в п.«б»; д) мощность, рассеиваемую каждым резистором.

4. Рассчитать значения емкости в емкостном делителе (рисунок 5.4), если требуется расширить предел измерения электростатического вольтметра от 300 В до 6 кВ. Входная емкость вольтметра = 6 пФ, емкость параллельно включенного конденсатора = 374 пФ.

Рисунок 5.4

5. Определить входную емкость электростатического вольтметра с емкостным делителем, используемого для измерения высокого напряжения, если = 4 пФ, = 40пФ, = 20 пФ (рисунок 5.4).

Вопросы к практическому занятию

1. Поясните, что собой представляет делитель напряжения.

2. Для каких целей используются емкостные делители напряжения?

3. Приведите необходимые формулы для расчета делителей напряжения.

4. Для чего используются трансформаторы тока?

5. Чем опасен разрыв вторичной обмотки трансформатора тока?

6. Каковы значения номинальных вторичных токов трансформаторов тока и из каких соображений они установлены?

7. Для чего используются трансформаторы напряжения?

8. Чему равны номинальные вторичные напряжения трансформаторов и из каких соображений они установлены?

Практическое занятие 6