Выпрямительные приборы.

Приборы представляют собой соединение выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством.

В выпрямительных преобразователях в настоящее время используют полупроводниковые диоды (германиевые и кремниевые). Недостатком полупроводниковых диодов как выпрямительных преобразователей является нелинейность вольт-амперной характеристики, нестабильность этой характеристики во времени и зависимость ее от температуры и частоты.

В выпрямительных приборах используют одно- и двухполупериодные схемы выпрямления. При использовании схемы однополупериодного выпрямления (рис. 9-1, а) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная — пропускается через диод Д₂ и резистор R. Цепь из диода Д₂ и резистора R = R_H используют для выравнивания обеих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты от пробоя диода Д₁ при обратной полуволне напряжения.

При использовании схемы двухполупериодного выпрямления выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода и, следовательно, чувствительность этих схем выше, чем однополупериодных. На рис. 9-1, б показана наиболее распространенная двухполупериодная схема выпрямления — мостовая.

Рис. 9-1. Схемы включения измерительного механизма и диодов при однополупериодном (а) и двухполупериодном (б) выпрямлении.

Выпрямительные свойства диодов характеризуют коэффициентом выпрямления k_в = I_пр/I_обр = R_oбp/R_пр, где I_пр и I_обр — токи, протекающие через диод в прямом и обратном направлении; R_np иR_oбр — соответственно прямое и обратное сопротивление диода. Значение k_B зависит от приложенного к диоду напряжения, частоты протекающего тока и температуры окружающей среды.

Если измеряется переменный ток i = I_m sin ω t, то мгновенный вращающий момент измерительного механизма при протекании по его катушке пульсирующего выпрямленного тока Mt = Bswi.

При измерениях в цепях переменного тока обычно нужно знать действующий ток (напряжение). Учитывая, что действующий ток связан с равенством I_ср = I/k_ф, где k_ф — коэффициент формы кривой тока,

a₁ = BswI/(2k_ф W); a₂ = BswI/(k_ф W).

Таким образом, выпрямительный прибор может быть градуирован в действующих значениях тока (напряжения) только для заданной формы кривой (для синусоиды k_ф=1, 11). Если же форма кривой измеряемого тока (напряжения) отлична от задан­ной, в показаниях прибора появляется погрешность.

Если коэффициент формы k_ф известен, то действующий ток несинусоидальной формы, измеренный прибором, градуированным по синусоидальному току, может быть определен по формуле I = I_пk_ф/1, 11, где I_п — показание прибора.

Зависимость коэффициента выпрямления диодов от температуры, приложенного напряжения и частоты протекающего тока, а также влияние формы кривой измеряемого тока приводит к зна­чительным погрешностям выпрямительных амперметров и вольтметров. Снижение погрешностей обычно производится путем включения дополнительных элементов в цепи приборов.

Сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма, схемы выпрямления, шунта или добавочного резистора образует выпрямительный амперметр или вольтметр.

В качестве примера на рис. 9-2 приведена схема вольтметра с небольшими верхними пределами измерений. Уменьшение экви­валентного сопротивления выпрямительного моста при увеличении температуры окружающей среды компенсируется увеличением сопротивления добавочного резистора, выполненного частично из меди. Уменьшение частотной погрешности достигается включением конденсатора С (рис. 9-2). С повышением частоты шунтирующее действие емкости диодов увеличивается и показа­ние прибора за счет снижения общего коэффициента выпрямления уменьшается. Благодаря емкости С, шунтирующей часть при повышении частоты общий ток вольтметра возрастает, что компенсирует уменьшение выпрямленного тока.

Рис. 9-2. Схема выпрямительного вольтметра

Выпускаемые в настоящее время выпрямительные приборы могут практически применяться только для измерения синусои­дальных токов и напряжений из-за большого влияния формы кривой.

Выпрямительные приборы в большинстве случаев выполняют многопредельными и комбинированными. Этими приборами путем переключений элементов прибора с помощью переключателей можно измерять как постоянные, так и переменные токи и напряжения, а также измерять сопротивления по схеме омметра. Верхний предел измерений для выпрямительных приборов, выпускаемых отечественной промышленностью, составляет: тока — от 3 мА до 10 А, напряжения — от 75 мВ до 600 В (предел 75 мВ—только для постоянного напряжения), сопротивления — от 0, 5 кОм до 5 МОм.

Из-за нелинейности вольт-амперных характеристик диодов при малых значениях переменных токов (напряжений) шкала в начальной части (0—15 %) неравномерная.

Основные достоинства выпрямительных приборов — высокая чувствительность, малое потребление мощности от измеря­емой цепи, возможность работы на повышенных частотах. Выпря­мительными приборами без частотной компенсации можно пользоваться для измерения токов и напряжений до частот 5000—10 000 Гц, в приборах с частотной компенсацией рабочий диапазон частот расширяется до 50 кГц. Точность выпрямительных приборов относительно невысока — класс точности обычно 1, 5; 2, 5.

Промышленность выпускает щитовые и переносные выпрямительные приборы. Примером переносного комбинированного вы­прямительного прибора может служить прибор типа Ц4311, име­ющий на постоянном токе класс точности 0, 5, на переменном токе — 1, 0. Верхние пределы измерений постоянного тока — от 3-10^-4 до 7, 5 А; переменного тока — от 3-10^-3 до 7, 5 А; напря­жения постоянного тока — от 75-10^-3 до 750 В и напряжения переменного тока — от 0, 75 до 750 В. Частотный диапазон от 45 до 8000 Гц — при измерении напряжений и от 45 до 16 000 Гц — при измерении тока.