Voltmetre pentru tensiuni alternative

Voltmetre pentru tensIuni alternative

In principiu, masurarea electronica a tensiunilor electrice alternative consta in amplificarea acestei tensiuni, in conversia acestei marimi in tensiune continua si in masurarea acesteia cu ajutorul unui voltmetru magnetoelectric, asa cum se vede in figura

Fig. Schema masurarii electronice a tensiunii alternative.

Tensiunea alternativa de masurat U_ai este aplicata la intrarea unui adaptor de intrare AI, care adapteaza aceasta marime la caracteristicile de intrare ale unui amplificator de tensiune alternativa ATA. Semnalul de iesire din ATA este convertit in tensiune continua cu ajutorul convertorului CTC dupa care este filtrat cu ajutorul filtrului F si aplicat la intrarea voltmetrului magnetoelectric VME pentru a fi vizualizat.

Dupa caracterul conversiei tensiunii de intrare deosebim:

- voltmetre de tensiune medie;

- voltmetre de tensiune de varf;

- voltmetre de tensiune efectiva.

1. Voltmetre de tensiune medie

Elementul specific, cel mai important, al acestui tip de aparat este convertorul de tensiune alternativa-tensiune continua. Schema unui astfel de convertor este prezentata in figura 5.4, de unde se vede ca este vorba de un redresor special, de precizie cu diodele redresoare pe legatura de reactie a unui amplificator operational AO.

Se recurge la o astfel de redresare pentru a elimina efectele nedorite ale neliniaritatilor diodelor, care daca ar fi folosite in montaj obisnuit serie ar produce erori de neliniaritate mai ales la valori mici ale tensiunilor, precum si pentru a elimina dependenta de temperatura a caracteristicilor diodei.

Datorita aplicarii tensiunii de masurat pe borna inversoare, pe durata semialternantei negative, dioda D₂ este blocata si I₃ = 0. Presupunand ca rezistenta de sarcina de iesire este suficient de mare pentru ca i_e = U_e/R_e   0, rezulta ca i₂ = i₄ = - i₁, de unde rezulta ca:

.  (5.4)

Fig. 5.4. Convertor de tensiune medie.

Intrucat se obtine:

(5.5)

adica o relatie in care R_d nu intervine.

Pe durata semialternantei pozitive a tensiunii U_ai, dioda D₁ este blocata, iar tensiunea de iesire este nula, ansamblul comportandu-se ca un redresor monoalternanta.

Prin conectarea ca rezistenta de iesire a unui voltmetru magnetroelectic se obtine o netezire si mediere a tensiunii U_e, care va produce o deviatie

a (5.6)

unde S_v este sensibilitatea de tensiune a voltmetrului, iar U_r - valoarea medie a tensiunii redresate.

Ca dezavantaj al acestei scheme se mentioneaza limitarea frecventei maxime a semnalului de intrare, din cauza influentei capacitatii diodei pe legatura de reactie.

In mod asemanator se realizeaza si voltmetre cu redresarea ambelor semialternante. In figura 5.5 se prezinta o astfel de schema, in care aparatul indicator este un voltmetru magnetoelectric VME.

Fig. 5.5. Voltmetru de tensiune medie dubla alternanta.

2. Voltmetre electronice pentru valori de varf

Caracteristic pentru acest tip de aparat este detectorul de varf, alcatuit dintr-o dioda D si un condensator C, care constituie primul element al voltmetrului, menit sa sesizeze si sa mentina varful tensiunii aplicate la intrare (fig. 5.6).

Fig. 5.6. Voltmetre electronice pentru valori de varf:

a) tip serie; b) tip paralel; c) graficul tensiunilor.

Tensiunea de varf depistata de detector este amplificata intr-un amplificator de tensiune continua ATC iar tensiunea amplificata este vizualizata cu ajutorul unui voltmetru magnetoelectric VME.

In figura 5.6,a este prezentat un voltmetru cu dioda de detectie in serie. In timpul uneia din semialternantele semnalului de intrare condensatorul se incarca rapid cu constanta de timp t_i R_DC. Pe durata celeilate semialternante dioda este blocata, iar condensatorul se descarca foarte lent cu constanta de timp t_d = R_iC foarte mare (R_i este rezistenta de intrare a amplificatorului) (fig. 5.6,c).

Daca R_dC << T = 2 p w incarcarea condensatorului la valoarea maxima se face rapid, chiar in prima semiperioada; la frecvente mai inalte incarcarea poate dura cateva perioade. Daca R_iC > T descarcarea este foarte lenta, condensatorul ramanand practic incarcat la valoarea de varf a tensiunii de intrare.

Schema din figura 5.6, b este utilizata mai frecvent si functioneaza asemanator cu cea din figura 5.6, a cu deosebirea ca dioda este montata in paralel si asigura astfel si retinerea eventualei componente continui suprapuse peste componenta alternativa.

Detectorul de varf (grupul DC) se monteaza intr-o capsula si se plaseaza direct la locul masurarii pentru a scurta legaturile in c.a., implicit pentru a reduce influenta capacitatilor parazite, permintand astfel masurari ale tensiunii cu frecvente pana la ordinul MHz.

Erorile voltmetrelor de valori de varf sunt considerabile in cazul tensiunilor nesinusoidale si in cazul valorilor mici ale tensinii de intrare: aceasta se datoreste faptului ca gradarea scarii VME se face in valori efective, tinand seama de relatia existenta intre valoarea de varf si cea efectiva in cazul variatiei sinusoidale. De asemenea, daca forma de unda nu este simetrica apar valori diferite la inversarea conexiunilor.

Detectoare de varf cu AO. Pentru aplicatii curente se pot folosi combinatii ale celulei de detectie cu amplificatoare operationale cum sunt cele din figura 5.7. Pentru a asigura descarcarea cat mai lenta a condensatorului C se recomanda ca amplificatoarele operationale sa fie realizate cu TEC.

Fig. 5.7. Detectoare de varf cu AO:

a) cu un singur AO; b) cu doua AO.

Detectoare varf la varf. Daca se folosesc doua celule de detectie, una cu dioda in serie si cealalta cu dioda in paralel, cum este celula dubla din figura 5.8, se poate masura diferenta dintre valoarea maxima pozitiva si valoarea maxima negativa a tensiunii de intrare.

Fig. 5.8. Detector varf la varf.

In semialternanta negativa a tensiunii U_i, dioda D₁ conduce si conden-satorul C₁ se incarca la valoarea de varf U_M cu polaritatea din figura. In semialternanta pozitiva, dioda D₁ este blocata si dioda D₂ conduce. In aceasta semialternanta pe bornele condesatorului C₂ se aplica tensiunea U_M de pe arma-turile condenstorului plus tensiunea maxima de intrare, adica U_c2 = U_e= 2U_M .

3. Voltmetre electronice de valori efective

Valoarea efectiva a tensiunii alternative constituie cea mai importanta marime a unui semnal alternativ deoarece contine si informatii referitoare la puterea acestuia. Elementul esential al voltmetrului de valori efective este convertorul de tensiune, care poate fi alcatuit din elemente termoelectronice sau din elemente de calcul.

Pentru a realiza un voltmetru de tensiune efectiva convertorul de valori efective se cupleaza la iesire cu un voltmetru de tensiune continua de tip uzual (magnetoelectric).

Convertoare de valori efective termoelectronice. Acest tip de convertoare au in componenta lor doua celule electronice in montaj diferential, functionand ca un sistem de urmarire (fig. 5.9).

In convertorul din figura 5.9 a, se folosesc doua celule CET₁ si CET₂ alcatuite din filamentele incalzitoare F₁ si F₂ si termocuplele T₁ si T₂ care genereaza tensiunile electrice E₁ si E₂, dependente de curentul efectiv din filamentele respective.

Deoarece tensiunea de masurat U_i se aplica printr-un repetor, curentul I₁ va fi proportional cu U_i , iar tensiunea continua E₁ va fi proportionala cu I_1ef. In mod asemanator tensiunea E₂ va fi proportionala cu patratul tensiunii U_e.

Deoarece amplificatorul AO₂ are factor de amplificare in circuit deschis foarte mare rezulta ca tensiunea diferentiala E₁ - E₂ aplicata la intrare este mentinuta la o valoare aproximativ nula. In acest fel E₂ urmareste valorile lui E₁.

Fig. 5.9. Convertoare de tensiune efectiva termoelectronice:

a) cu filament si termocuplu; b) cu rezistenta si tranzistor

Admitand ca celulele sunt identice si bine izolate termic curentii din cele doua filamente vor fi egali, I_ief = I₂, de unde se deduce ca

(5.7)

unde R_f este rezistenta filamentului.

Relatia 5.7 este valabila pentru orice frecventa si forma de unda. Pentru ca sensibilitatea si tensiunea de iesire ale termocuplelor sunt in general mici este necesar ca AO sa aibe deriva de tensiune foarte mica.

Schema din figura 5.9 b, care foloseste celule alcatuite din rezistente de incalzire R₁ si R₂ si tranzistoare T₁ si T₂ cu sensibilitate foarte mare este de preferat. Se stie ca tensiunea U_BE a tranzistoarelor variaza aproximativ liniar cu temperatura jonctiunii, deci proportional cu curentul generat de sursa de tensiune de intrare si de tensiunea de iesire.

Convertoarele de tensiune efectiva de acest fel dau erori de 0,1.0,2% la frecvente intre 20 Hz si 100 kHz. Timpul de raspuns este insa destul de lung, parametrii normali atingandu-se dupa cateva minute de incalzire. Ele functioneaza si in curent continuu iar tensiunile continui aplicate la intrare servesc la calibrarea voltmetrului.

Convertoare de valori efective cu elemente de calcul. Valoarea efectiva U_ef a unei tensiuni electrice este definita de expresia:

(5.8)

Determinarea acestei marimi implica urmatoarele operatii de calcul: ridicarea la putere (inmultirea lui U cu ea insasi), integrarea, impartirea si extragerea radacinii patrate.

Principial operatiile mentionate pot fi realizate cu ajutorul unui dispozitiv ca cel din figura 5.10, care poate fi numit convertor de valori efective. Un element important al acestui dispozitiv il constituie multiplicatorul analogic M pentru efectuarea ridicarii la patrat, care poate fi realizat in mai multe variante.

Fig. 5.10. Convertor de tensiune efectiva cu elemente de calcul.

Multiplicatorul cu transductanta variabila. Acesta este tipul de multiplicator cu cea mai frecventa utilizare, motivata si de faptul ca se realizeaza sub forma de circuit integrat. La baza conceptiei acestuia sta dependenta dintre castigul unui amplificator cu tranzistor si doi dintre parametrii functionali, iesirea unui astfel de multiplicator fiind de forma:

(5.9)

Elementul esential al unui astfel de multiplicator este tranzistorul bipolar cu siliciu, care are o transductanta variabila, dependenta liniar de curentul de colector, conform relatiei:

(5.10)

Functia de multiplicare este pusa in evidenta la variatii relativ mici ale curentului de colector I_c si ale tensiunii baza-emiter, adica

(5.11)

Eroarea acestor multiplicatoare nu depaseste 0,5.1% in banda de frecvente cuprinsa intre 1 si 10 MHz.

Amplificatorul operational AO₁ din figura 5.10, cu elementele lui de reactie R₁C₁ formeaza un filtru trece jos, care pentru perioada T >> R₁C₁ mediaza marimea de intrare , adica obtinerea marimii -U_i² (semnul - provenind din aplicarea semnalului pe borna inversoare).

AO₂, avand pe legatura de reactie multiplicatorul M₂, realizeaza functia de extractor de radacina patrata. Astfel, avand in vedere ca I₁ = I₂ se deduce:

(5.12)

de unde rezulta ca:

(5.13)

Schema prezentata are dezavantajul ca la variatii cu raportul, 10 : 1 ale tensiunii U_i, raportul variatiilor tensiunii la iesirea multiplicatorului este 100 : 1 ceea ce impune conditii grele amplificatorului AO₂ la nivel mic al tensiunii de intrare. Pentru evitarea acestui neajuns s-au conceput si alte scheme dar si acestea au cate un inconvenient.