Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное

Наиболее широко применяемыми измерительными преобразователями этого типа являются выпрямительные и термоэлектрические. Выпрямительные преобразователи используют выпрямление (детектирование) переменного тока с помощью нелинейных элементов – вакуумных и полупроводниковых диодов (детекторов).

Термоэлектрические измерительные преобразователи используют нагрев переменным током горячего спая термопары, возникновение термо-ЭДС и постоянного тока в цепи термопары.

Переменное напряжение характеризуется следующими основными параметрами:

Пиковое значение Um (для гармонического колебания – амплитудное) – это наибольшее мгновенное значение напряжения u(t) за время измерения t (или за период Т). Если напряжение за время измерения или период изменяет знак, а кривая напряжения несимметрична, то различают положительные и отрицательные пиковые значения.

Среднее значение за время измерения (или за период) – это постоянная составляющая напряжения u(t):

Средневыпрямленное значение (СВЗ) – среднее значение абсолютного значения напряжения:

Среднеквадратическое значение (СКЗ) – это положительный корень квадратный из среднего значения квадрата напряжения:

Совокупность значений переменного напряжения является интегральной характеристикой его формы. В практике измерений для оценок используют коэффициенты формы k_ф, амплитуды k_а, усреднения k_у (таблица): k_ф =U/U_свз, k_a=U_m/U_скз, k_y= k_ф k_a=U_m/ U_свз.

Таблица. Коэффициенты k_a, k_ф, k_y для напряжений различной формы

Напряжение	ka	kф	ky
Синусоидальное	1,41	1,11	1,56
Однополярное пилообразное	1,73	1,16	2,00
Прямоугольной формы с симметричными полупериодами - меандр

Коэффициенты k_а, k_ф, k_y позволяют получать значения переменного напряжения, если известно одно из них и форма напряжения.

Пиковые (амплитудные) детекторы. Пиковый детектор – это измерительный преобразователь, на выходе которого постоянная составляющая непосредственно соответствует пиковому значению напряжения на входе.

Принципиальные электрические схемы пиковых детекторов изображены на рис. 4.6,а – последовательный детектор с открытым входом и б – параллельный детектор с закрытым входом.

В пиковом детекторе с открытым входом постоянная составляющая выходного сигнала содержит постоянную составляющую входного сигнала, если таковая имеется. В детекторе же с закрытым входом постоянная составляющая выходного сигнала не содержит постоянной составляющей входного сигнала – для нее вход закрыт.

Пиковый детектор должен обязательно содержать элемент, запоминающий пиковое значение напряжения. Таким элементом обычно является конденсатор, заряжаемый до пикового значения через диод.

Остановимся на пиковом детекторе с открытым входом. Рассмотрим случай, когда на вход поступает синусоидальное напряжение.

В положительные полупериоды входного напряжения u_вх происходит заряд конденсатора С через малое прямое сопротивление диода R_д и внутреннее сопротивление источника R_i. В отрицательные полупериоды конденсатор разряжается через большое сопротивление R (рис. 4.7,а). Постоянная времени разряда много больше постоянной времени заряда. Поэтому напряжение на конденсаторе возрастает и через несколько периодов на обкладках устанавливается постоянное напряжение U_C (постоянная составляющая пульсирующего напряжения), почти равное амплитуде входного напряжения U_m. Поскольку U_c все же несколько меньше U_m вследствие разряда конденсатора во время отрицательного полупериода, то в течение времени, когда u_вх>U_c, через диод будут проходить импульсы тока, пополняющие заряд конденсатора.

Если на вход схемы подать напряжение в котором содержится как переменная, так и постоянная составляющие, то, очевидно, конденсатор С зарядится до напряжения, определяемого суммой постоянной и амплитуды переменной составляющих, т. е. до пикового значения напряжения. Таким образом, на выходе пикового детектора с открытым входом имеет место постоянное напряжение Uc, учитывающее как переменную, так и постоянную составляющие на входе. Для исключения пульсаций выходного напряжения на выходе включается фильтр нижних частот.

Пиковый детектор с закрытым входом (рис. 4.6,б). В течение нескольких положительных полупериодов u_вх конденсатор С заряжается через сопротивление диода R_Д, и внутреннее сопротивление источника R_i почти до амплитудного значения напряжения. Разряд происходит в отрицательные полупериоды через очень большое сопротивление R и внутреннее сопротивление источника R_i. Постоянная времени разряда намного больше постоянной времени заряда. Поэтому напряжение u_с за время отрицательного полупериода изменится очень мало. Заряженный конденсатор можно рассматривать как источник постоянного напряжения Uc≈U_m. На резисторе выделяется пульсирующее напряжение. Среднее значение этого напряжения примерно равно Um. Измерить его с помощью магнитоэлектрического прибора затруднительно, поскольку на низких частотах заметно колеблется стрелка. В связи с этим напряжение u_R сначала подается на фильтр нижних частот, который пропускает постоянную составляющую Uс≈U_m, а затем измеряется вольтметром постоянного тока.

Входные активные сопротивления у детекторов соткрытым и закрытым входом не одинаковы:

Rвx откр=R/2, а Rвx закр=R/3.