24. Електродинамічні перетворювачі та рівняння перетворення

Найточнішими серед інших підгруп електромеханічних перетворювачів, які використовуються в ланцюгах змінному струму, є електродинамічні перетворювачі. В даний час багато хто з них випускаються з класами точності 0.05 і зберігають свої показання при переході з постійного струму на змінний.

Найбільш широке застосування електродинамічні перетворювачі знаходять як ватметрів постійного і змінного струму, амперметрів постійного і змінного струмів, фазометрів, частотомеров і фарадометров.

Принцип дії електродинамічних перетворювачів заснований на взаємодії магнітних полів струмів, що протікають по нерухомої і рухомої котушок (або системам котушок).

Електродинамічний перетворювач, конструкція якого і схема з'єднання котушок наведені на малюнку 1, а, б відповідно, включає в себе в загальному випадку систему нерухомих і рухомих котушок, відліковий пристрій, пружні елементи у перетворювачів з механічним протидіє моментом, заспокоювач та засоби захисту від зовнішніх магнітних полів.

a

б

Малюнок 1 - Електродинамічний перетворювач

Нерухомі котушки 1, як правило, виконують з двох секцій, рознесених у просторі. Це створює конструктивні зручності при розміщенні рухомої частини і, крім того, дозволяє зміною відстані між секціями змінювати конфігурацію магнітного поля, що використовується для лінеаризації функції перетворення перетворювача. Виконуються нерухомі котушки, як правило, з мідного дроту. Рухома котушка 2 виконується з мідного або алюмінієвого проводу і розміщується всередині нерухомої. Струмопровідними провідниками рухомої котушки служать пружні елементи (спіральні пружини 3), що створюють механічний протидіючий момент, або безмоментна провідники в логометра.

За формою котушки виконують круглими або прямокутними. Перші з них більш технологічні у виробництві і мають добротність на 15 - 20% вище в порівнянні з прямокутними. Це підвищує чутливість перетворювача. Прямокутні ж котушки використовуються з метою зменшення розмірів приладу.

Найбільш широке поширення в практиці електричних вимірювань знайшли електродинамічні амперметри та вольтметри змінного струму, ватметри постійного і змінного струму і, рідше, фазометри, частотоміри і фарадометри.

Амперметри. У електродинамічні амперметри використовуються послідовне і паралельне включення рухомий 2 і нерухомої 1 котушок. Послідовне включення котушок (рисунок 2, а) застосовується у амперметра, призначених для вимірювання малих (до 0,5 А) струмів. У цьому випадку струми I1 і I2 в нерухомої і рухомої котушках рівні між собою і фазовий зсув між ними j дорівнює нулю, тобто cos j = 1. Вираз для рівняння шкали для такого амперметра запишеться наступним чином:

. (1)

Шкала приладу в принципі є квадратичної, однак шляхом відповідного вибору форми, розмірів і взаємного розташування котушок можна домогтися такого закону зміни взаємної індуктивності М1, 2 при зміні кута повороту рухливої ​​частини α, що на ділянці шкали починаючи з 15 - 20% від її верхньої межі вона буде мати практично лінійний характер.

а б

Малюнок 2 - Амперметри на основі електродинамічних перетворювачів

Ваттметри. У електродинамічних ваттметра рухома і нерухома котушки включаються незалежно один від одного (малюнок 3).

а б

Малюнок 3 - Ваттметри на основі електродинамічного перетворювача

Фазометри. Електродинамічні фазометри створюються на базі логометріческого перетворювача. Електрична схема фазометра показана на рисунку 4, а.

Нерухома котушка 5-6 перетворювача утворює послідовну (струмовий) ланцюг приладу. Рухливі котушки 1-2 і 3-4 утворюють паралельну ланцюг. Послідовно з рухомою котушкою 3-4 включений резистор R1, що має активний опір, а послідовно з котушкою 1-2 - комплексне індуктивний опір, утворене резистором R і індуктивністю L. При такій схемі включення фазометра й індуктивному характері навантаження ZH векторна діаграма фазометра буде відповідати рисунку 4, б.

а б

Малюнок 4 - Фазометри на основі електродинамічного перетворювача

Електродинамічні фазометри дозволяють вимірювати фазові зрушення в межах від 0 до 180 ° (частіше градуюються від плюс 90 до мінус 90 ° з нулем посередині шкали). Промисловістю випускаються фазометри з класами точності до 0,1. Досить висока точність їх забезпечується завдяки достоїнств, властивим електродинамічних перетворювачів.

Основними недоліками розглянутих фазометрів є те, що вони можуть працювати на фіксованих частотах і напругах. Зміна напруги U вимагає зміни елементів схеми фазометра R і R1 (для виконання умови I1 = I2), а значить, і характер шкали приладу при цьому зміниться. Зміна частоти також призводить до зміни характеру шкали з-за зміни реактивного опору ланцюга котушки 1-2, а значить, і співвідношення струмів I1 і I2.

25. Магнітоелектричні вимірювальні перетворювачі та рівняння перетворення.

6.3. Модулятори та демодулятори

Якщо вимірювальний сигнал змінюється в часі за таким законом (має такий частотний спектр), при якому ускладнена його передача чи перетворення, то виникає необхідність модуляції, тобто утворен­ня нового модульованого сигналу із заданим законом зміни (частот­ним спектром). Процес модуляції полягає в передачі інформації від вимірювального (модулюючого) сигналу до несучого. Несучим є деякий допоміжний сигнал, який має зручні для реалізації наступних опера­цій фізичну природу і закон зміни в часі. В ролі несучого найчастіше використовують синусоїдні або імпульсні сигнали. При використанні· гармонічного несучого сигналу можливі три види модуляції: амплі­тудна, частотна і фазова. При імпульсному несучому сигналі можна змінювати такі параметри: амплітуду, частоту, фазу або тривалість імпульсів. При цьому мають відповідно амплітудно-імпульсну, частот­но-імпульсну, фазо-імпульсну та час-імпульсну модуляції.

Демодуляція — це перетворення промодульованого сигналу на сигнал, пропорційний вимірювальному (модулюючому).

У вимірювальній техніці найширше застосовують амплітудно­імпульсну модуляцію (демодуляцію) із схемною реалізацією на еле­ментах ключового типу.

Залежно від способу ввімкнення ключового елемента (ключа) відносно наступного вимірювального перетворювача з вхідним опором R_H бувають модулятори послідовного, паралельного та послідовно-паралельного типів (рис. 36). Вибір тієї чи іншої схеми здійснюється залежно від співвідношення опорів джерела сигналу R_c і R_н. При R_H > R_c застосовують схему, подану на рис. 36, а, а при R_H < R_с — на рис. 36, б. Якщо значення опорів Rн і R_c сумірні, то застосову­ють схему, подану на рис. 36, в.

Рис. 36. Основні принципіальні схеми мсдуляторів.

За інших рівних умов мінімальне значення похибки модуляції мають схеми з максимальним значенням перехідного опору R ключів у розімкненому стані і мінімальними значеннями перехідного опору r й залишкових (паразитних) напруг у замкненому стані.

Залежно від потрібних метрологічних характеристик при побудо­ві модуляторів використовують ті чи інші ключові елементи. Прак­тично застосовують електромеханічні (контактні) або безконтактні ключі. В останніх використовують біполярні і польові транзистори, діоди, оптоелектронні та ємнісні елементи.

Модулятори з електромеханічними ключами виконують з викорис­танням віброперетворювачів або реле з магнітокерованими контактами. Такі ключі за своїми характеристиками наближаються до ідеальних. У них г < 0,1 Ом, a R > 10¹⁰ Ом. Залишкові напруги і їх нестабіль­ності, які зумовлені в основному електричними і електромагнітними наведеннями, а також контактними термо- е. р. с., не перевищують одиниць мікровольтів на градус. Основним недоліком контактних модуляторів є порівняно малий їх строк служби.

Модулятори з транзисторними ключами не мають цього недолі­ку, зате мають більшу нестабільність залишкових напруг. Для змен­шення впливу цих нестабільностей застосовують спеціальні схеми компенсації з використанням польових транзисторів і транзисторів у інтегральному виконанні. Ці заходи дають змогу зменшити значен­ня нестабільності залишкових напруг до кількох мікровольтів на градус.

Застосування в схемах модуляторів напівпровідникових діодів як ключових елементів дає змогу будувати порівняно нескладні діодні модулятори. Для зменшення похибок таких модуляторів їх клю­чі треба виконувати на кремнієвих діодах за компенсаційними схемами. При вдало підібраній парі діодів нестабільність залишкових напруг становить 15—20 мкВ/°С.

Модулятори на оптоелектронних елементах будують також за схемами, наведеними на рис. 36, у яких як ключі використовують фоторезистори. Істотною перевагою таких модуляторів порівняно з іншими безконтактними є відсутність гальванічних зв'язків між колами модулюючого і несучого сигналів. Нестабільність залишкових напруг модуляторів на оптоелектронних елементах становить десятки мікро­вольтів на градус.

Рис. 37. Принципіальна схема модулятора на варикапах.

Рис. 38. Схеми напівпровідникових випрямних перетворювачів

середнього значення.

Модулятори на ємнісних елементах побудовані на основі дина­мічного конденсатора. В цьому випадку модулююча напруга під­водиться до обкладинок конденсатора, ємність якого змінюється періодично внаслідок коливань однієї з пластин під дією електро­магнітного поля котушки збудження. Заряд конденсатора пропор­ційний модулюючому сигналу і залишається постійним, а напруга на ньому змінюється в такт із зміною ємності, тобто за законом зміни несучого сигналу. Високий поріг чутливості модуляторів з динаміч­ним конденсатором (10 — 10 ¹⁵ А) досягають забезпеченням вели­кого вхідного опору (10 Ом).

Крім розглянутих ключових модуляторів є модулятори, виконані на варикапах. Схему такого модулятора подано на рис. 37. Особливі­стю таких схем є те, що їх коефіцієнт перетворення є більшим від одиниці. Подібні модулятори відомі під назвою параметричних. При вдало підібраних варикапах вдається побудувати модулятор з поро­гом чутливості до десятків мікровольтів.

Демодулятори—це пристрої перетворення попередньо промодульованого сигналу на сигнал, пропорційний модулюючому. Як і моду­лятори, демодулятори є амплітудні, частотні й фазові. Амплітудні демодулятори називають випрямлячами (випрямними перетворювачами) амплітудного значення. Випрямлячі застосовують для демодуляції і при дослідженні сигналів змінного струму.

Постійна складова вихідного сигналу випрямного · перетворювача може бути функцією як амплітудного, так і середнього або діючого значень вхідного сигналу. Відповідно існують випрямлячі середнього і діючого значень. Майже всі види випрямлячів побудовані із застосуванням нелінійних (випрямних) елементів, значення параметрів яких залежать від значення та знака вхідного сигналу. Як випрямні «лементи переважно використовують напівпровідникові діоди, що мають високу надійність і тривалий строк служби. Недоліком цих елементів є залежність їх параметрів від температури і частоти вхід­ного сигналу. В значній мірі цих недоліків позбавлені електроваку­умні діоди.

Випрямлячі середнього значення можна побудувати за одно- або двопівперіодною схемами. Найпростіша схема однопівперіодного випрям­ляча (рис. 38, а) має той істотний недолік, що вона придатна лише для випрямлення напруг, а при випрямленні струмів різка зміна опору діода при різних полярностях спричинюється до порушення режиму роботи кола. Вільною від цього недоліку є схема на рис. 38, б,

У вимірювальних випрямлячах середнього значення з однопівіперіодним випрямленням стала складова вихідного сигналу за період синусоїдної вхідної напруги (рис. 38, в) при лінійній вольт-амперній характеристиці і відсутності зворотного струму діода

де U_m, U_ср— амплітудне і середньовипрямлене значення вхідної напруги; R_np — прямий опір діода.

У випрямлячах з двопівперіодним випрямленням (рис. 38, г) вихідний струм на протязі кожного півперіоду зміни вхідної величини проходить у тому самому напрямку через Rн і, отже, за інших рів­них умов чутливість таких випрямлячів у два рази вища, ніж у однопівперіодних. їх недоліком є наявність чотирьох діодів. У зв'язку із значною залежністю параметрів діодів від температури таким пере­творювачам властиві великі температурні похибки. Випрямлячі із заміщуючими опорами (рис. 38, д і е) мають нижчу чутливість, але їх температурні похибки менші.

Принцип роботи амплітудних випрямлячів (рис. 39) полягає в застосуванні методу «запам'ятовування» екстремальних значень вхід­ного сигналу. Запам'ятовуючим елементом у таких перетворювачах є конденсатор. У схеми з відкритим входом (рис. 39, а) при додат­ній півхвилі вхідної напруги конденсатор заряджається через діод до напруги U_c ≈ U_т, а з моменту t1 (рис. 39, б) розряджається через R_H доти, доки миттєве значення вхідного сигналу не стане дещо більшим від U_c і конденсатор знову підзарядиться до Uc≈Um· Якщо стала часу розряду СR_н »T де Τ — період вхідної напруги Ux, то U_c буде практично незмінним і дорівнюватиме U_m.

Якщо вхідна напруга містить сталу складову, то вихідна напруга дорівнюватиме U_m (рис. 39, в).

У схемах із закритим входом (рис. 39, г) при наявності сталої складової вхідної напруги U₀ конденсатор С заряджатиметься до напруги U_c = U₀ +U_m, а спад напруги на опорі R_A буде Ux — U_с =U_msinωt — U_m, тобто незалежний від значення U₀ і містить змінну з амплітудою U_m і сталу — U_m складові. Змінну складову можна відфільтрувати фільтром R_фС_ф, а спад напруги на опорі R_H при Rн > Rф дорівнюватиме U_m (рис. 39, д).

Рис. 39. Схеми діодних випрямлячів максимального значення і графіки струмів та напруги.

Рис. 40. Принципіальна схема і графіки

випрямленого струму керованого випрямляча.

В випрямлячах діючого значення використовують початкові ді­лянки вольт-амперних характеристик напівпровідникових діодів які близькі до квадратичних. Оскільки ці ділянки обмежені низькими напругами (до 1 В), то для залежності i0 = kU² при більш високих напругах утворюють штучні кола з кількома відповідно з'єднаними діодами і додатковими та шунтуючими опорами.

Розглянуті схеми випрямлячів відомі під назвою некерованих, на відміну від керованих, у яких робота випрямного кола керується зовнішнім сигналом. Такі перетворювачі мають два входи: на один з них подають досліджувану U_x, а на другий — керуючу напруги (рис. 40). При додатній півхвилі керуючої напруги ключ замикається (його опір дорівнює нулю) і через випрямне коло проходитиме струм, а при від'ємній півхвилі — він розмикається, тобто його опір буде нескінченно великий і струму в колі не буде. При умові, що вхідні сигнали є синусоїдними функціями часу однієї частоти, наприклад

Рис. 41. Схеми напівпровідникових керованих випрямлячів,

Рис. 42. Принципіальна схема активного випрямляча.

середнє значення випрямленого струму буде

Отже, значення вихідного сигналу залежатиме не лише від υ_χ, а й від кута зсуву фаз ψ між досліджуваною і керуючою напру­гами.

Практичне застосування мають два типи керованих випрямлячів: електромеханічний і напівпровідниковий.

Кола з електромеханічними керованими випрямлячами застосовують у векторметрах — приладах для вимірювання складових векторів напруги або струму. Наявність механічних рухомих контактів обмежує частотний діапазон (не більше 400 Гц) і довговічність. Цього недоліку не мають напівпровідникові фазочутливі випрямні кола.

Для пояснення принципу роботи найпростішого однопівперіодного фазочутливого випрямляча (рис. 41, а) припустимо спочатку, що прикладено лише напругу U_K. При додатній півхвилі цієї напруги діоди відкриваються, їх опори будуть малі і через них проходитимуть струми і_к. При від'ємній півхвилі керуючої напруги U_K діоди закри­ваються, а їх опори стають великі. Якщо схема симетрична, то при будь-якому значенні і полярності керуючої напруги спади напруг на опорах R будуть однаковими, а напруга між точками А і В дорів­нюватиме нулю — через опір RД струм не проходитиме.

Якщо прикладена напруга U_x значно менша від U_K, то можна вважати, що опір діодів залежить лише від значення і напрямку керуючої напруги і не залежить від напруги U_x, а середнє значення струму через R_H — від U_x і кута зсуву фаз між напругами u_k та ί/_χ·

Найбільше практичне застосування знайшли двопівперіодні фазо­чутливі випрямлячі (рис. 41, б і в), чутливість яких за інших рівних умов у два рази вища від чутливості однопівперіодних. Фазочутливі випрямлячі виконують як на електронних лампах, так і на транзис­торах. Керування можна здійснювати зміною фази напруги на сітці (базі) відносно анода (колектора).

Фазочутливі напівпровідникові випрямлячі застосовують як нуль-індикатори в мостових і компенсаційних колах змінного струму.

Крім пасивних випрямлячів, описаних вище, існують активні (рис. 42), які мають у своєму складі підсилювачі постійного стру­му (ППС) і в яких введенням зворотних зв'язків значно зменшені похибки перетворення змінної напруги в сталу. Зокрема, якщо кое­фіцієнт підсилення ППС дорівнює S, то вплив нестабільності пара­метрів діодів зменшується майже в S разів.