2. Детекторы электронных вольтметров переменного тока

Детекторы электронных вольтметров в зависимости от значения входного напряжения, на которое реагирует измерительный прибор, делят на детекторы пикового (амплитудного), среднего (средневыпрямленного) и среднеквадратического (действующего) значений. Вход детекторов относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть открытым либо закрытым.

На рис.2 приведены схемы пиковых детекторов. Схема, изображенная на рис. 2,А представляет собой детектор с открытым входом, вторая схема (рис. 2,Б) – детектор с закрытым входом.

Рис. 2. Схемы пиковых детекторов с открытым (А) и закрытым (В) входами

Пиковые (амплитудные) детекторы представляют собой диодные детекторы с высокоомным сопротивлением нагрузки, последовательно с которым включают измерительный прибор. Напряжение на нагрузке соответствует пиковому значению измеряемого сигнала. Пиковый детектор должен содержать элемент памяти, запоминающий пиковое значение напряжения. Таким элементом служит конденсатор, заряжаемый через диод до пикового значения.

Рассмотрим работу пикового детектора с открытым входом (рис. 2,А) в случае, когда к нему подводится синусоидальное напряжение U_x = U_м·sin ωt. В исходном состоянии конденсатор С разряжен. При первой положительной полуволне в цепи диода V возникает большой импульс тока, заряжающий конденсатор С.

Так как диод пропускает ток только в одном направлении, то за время отрицательной полуволны конденсатор несколько разряжается. Сопротивление резистора R_p обычно выбирают таким, чтобы постоянная времени разряда t_р = R_pC была велика по сравнению с периодом T = 2π/ω переменного напряжения U_x, при этом заряд конденсатора С уменьшается незначительно. При каждой новой положительной полуволне синусоидального напряжения конденсатор подзаряжается через внутреннее сопротивление R_д диода. Постоянная времени заряда конденсатора τ_з = С(R_д + R_i), где R_i – внутреннее сопротивление источника сигнала, меньше постоянной времени разряда τ_р = R_рС, поэтому через несколько периодов на обкладках конденсаторов устанавливается постоянное напряжение U_c, почти равное амплитуде напряжения U_м, поданного на вход детектора.

В установившемся режиме напряжение катода диода, равное U_c, несколько меньше U_м вследствие утечки заряда через резистор. В течение той части положительной полуволны, когда мгновенные значения синусоидального напряжения U_x превышают напряжение U_c, через диод проходят маленькие импульса тока, пополняющие заряды конденсатора. Ток через диод проходит лишь в течение незначительной части периода, когда U_x > U_c. Незначительные пульсации напряжения сглаживаются за счет инерционности измеряемого прибора (ИП).

До сих пор исследовался случай измерения только переменного напряжения. Если на вход рассматриваемой схемы подать напряжение U_x = U₀ + U_м·sinωt, в котором имеются и постоянная и переменная составляющие, то конденсатор детектора с открытым входом заряжается  до напряжения, определяемого их суммарным воздействием, т. е. до пикового значения. Следовательно, измеряемое значение напряжения в этом случае будет зависеть не только от переменного напряжения U_м, но и от величины постоянной составляющей U₀.

Детекторы с открытым входом применяют редко, так как они не позволяют измерить только переменную составляющую напряжения при наличии постоянной составляющей.

Большое практическое применение имеет пиковый детектор с закрытым входом (рис. 2,Б).

Рассмотрим работу пикового детектора с закрытым входом в предположении, что к нему подведено синусоидальное напряжение U_x = U_м·sinωt. В исходном состоянии конденсатор разряжен. При положительной полуволне напряжение конденсатора С заряжается через диод V приблизительно от амплитудного значения. При отрицательной полуволне напряжения диод V заперт. Сопротивление резистора R_р велико, следовательно, велика постоянная времени цепи разряда и напряжение U_с в непроводящий полупериод изменяется весьма мало, т. е. U_c ≈ U_м. К резистору R_р приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения U_x и напряжения на конденсаторе U_c ≈ U_м, т. е.

U_r = U_x - U_c = U_м·sin ωt - U_м.                                               (1)

Напряжение на нагрузке повторяет входное напряжение, но смещено на величину его амплитудного значения, т. е. пульсирует от 0 до – 2U_м. Поэтому между резистором R_р и измерительным прибором, кроме усилителя постоянного тока, включают фильтр нижних частот, пропускающий только постоянную составляющую Uм пульсирующего напряжения.

Если на вход пикового детектора с закрытым входом подать измеряемое напряжение, которое содержит, кроме переменной, еще и постоянную составляющую, т.е.  U_x =U₀ + U_м·sinωt, то при действии U_x конденсатор зарядится до значения U_c = U_м + U₀, напряжение на резисторе буде определяться выражением (1), так как постоянные составляющие  друг друга взаимно компенсируют на резисторе R_р. Таким образом, измерительный прибор реагирует только на амплитуду переменной составляющей, т. е. измеряет пиковое значение превышения напряжения над постоянной составляющей.

Изображенные на рис. 2. схемы пиковых детекторов измеряют пиковые значения положительных полуволн напряжения. Для измеренияотрицательных полуволн напряжения используют аналогичные схемы, но с тем отличаем, что диоды включают  противоположным образом: анод и катод меняют местами.