Выпрямители (детекторы)

Одним из основных элементов электронного вольтметра пере­менного напряжения является выпрямитель (детектор) – преобра­зователь переменного напряжения в постоянное. Именно особенно­сти детектора в значительной мере определяют функциональные возможности и характеристики вольтметра. В зависимости от назна­чения вольтметра используются различные схемы детекторов:

• амплитудного значения;

• среднего выпрямленного значения;

• среднего квадратического (действующего) значения.

Детекторы амплитудного значения(или амплитудные детекто­ры – АД) делятся на АД с так называемым открытым входом (АДОВ) и АД с закрытым входом (АДЗВ). Амплитудные детек­торы иногда называются пиковыми детекторами. Рассмотрим устройство и работу таких детекторов. При рассмотрении работы обоих вариантов детекторов будем полагать, что выходное со­противление предыдущего каскада (ВЦ или усилителя – в зависимости от структуры вольтметра) пренебрежимо мало и не опре­деляет значения постоянных времени заряда τ_з и разряда τ_р конденсатора С.

На рис.3.21, а приведена упрощенная схема АДОВ, на рис.3.21, б – временная диаграмма изменения входного u(t) и выход­ного u_вых(t) напряжений такого детектора.

Простейшая схема АДОВ содержит полупроводниковый диод VD, конденсатор С и нагрузочный резистор R.

При поступлении положительной полуволны входного напря­жения u(t) на верхний входной зажим (точнее, при положитель­ной разнице потенциалов между верхним и нижним входными зажимами) диод VD открывается (при этом его сопротивление становится малым – r₀), и через конденсатор С течет ток, заряжа­ющий его. При отрицательной разнице текущего входного значе­ния входного напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе диод VD закрывается (при этом его сопротивление становится большим), и конденсатор С разряжается на обладающий большим сопротивлением резистор R. Поскольку постоянная времени заряда τ_з кон­денсатора С гораздо меньше постоянной времени разряда τ_р:

(τ₃ =Сr₀)<<( τ_р=CR),

 

то напряжение на конденсаторе непрерывно растет, и через не­сколько периодов входного сигнала напряжение на выходе детек­тора u_вых(t) становится практически равным амплитудному значе­нию U_max входного напряжения u(t).

Отметим, что форма входного периодического сигнала в боль­шинстве реальных случаев значения не имеет.

Если же входное напряжение u(t) представляет собой сумму переменной (с амплитудой U_max) и постоянной U₀ составляющих (рис.3.22), то реакция АДОВ по окончании переходного процесса будет соответствовать самому большому значению входного на­пряжения, т.е. выходное напряжение станет равным сумме U₀ + U_max, и, следовательно, показания выходного измерительного прибора будут определяться именно этой суммой.

 

 

Отметим, что форма переменной составляющей входного пе­риодического сигнала и в данном случае практически не имеет значения.

Амплитудный детектор с закрытым входом (АДЗВ), представ­ленный на рис. 3.23, на переменный входной сигнал без постоян­ной составляющей реагирует, по сути, аналогично рассмотренно­му АДОВ.

 

И в этом варианте при положительной полуволне напряжения на верхнем входном зажиме, точнее, при текущем значении вход­ного напряжения u(t) большем, чем напряжение на конденсаторе u_С(t), открывается диод VD, и конденсатор С быстро заряжается через его малое сопротивление. Если текущее значение входного напряжения u(t) меньше напряжения на конденсаторе u_С(t), то диод VD закрыт, и конденсатор С медленно разряжается через большое сопротивление резистора R. Поскольку конденсатор С быстро заряжается и медленно разряжается, то напряжение на нем u_С(t) будет постепенно расти (по модулю) и через нескольких пе­риодов входного сигнала практически достигнет амплитудного зна­чения U_max (рис.3.24).

 

 

Напряжение u_R(t) на резисторе R представляет собой разницу входного напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе u_С(t). Это напряжение в установившемся режиме повторяет по форме вход­ное измеряемое, но смещено на амплитудное значение - U_max. Да­лее напряжение u_R(t), состоящее из суммы переменной составля­ющей и постоянной - U_max, поступает на вход фильтра нижних ча­стот (ФНЧ), который сглаживает форму этого сигнала. Выходное напряжение фильтра u_вых(t) соответствует среднему значению его входного напряжения, т. е. - U_max. Таким образом, выходное напряжение u_вых(t) через несколько периодов входного сигнала станет практически равным максимальному (амплитудному) значении U_max входного измеряемого напряжения.

При входном сигнале, содержащем помимо переменной (с ам­плитудой U_max) еще и постоянную составляющую U₀, АДЗВ ведет себя иначе, чем АДОВ. В этом случае через несколько периодов конденсатор С зарядится до напряжения, равного сумме U_max + U₀, т.е. конденсатор С не будет пропускать постоянную составляющую, и выходное напряжение фильтра u_вых(t) будет определяться только амплитудой U_max переменной составляющей входного сигнала.

Детекторы среднего выпрямленного значения(СВЗ) делятся на однополупериодные и двухполупериодные детекторы. Рассмотрим вариант двухполупериодного детектора СВЗ как наиболее распро­страненного (рис. 3.25,а).

 

 

Рис. 3.25. Детектор среднего выпрямленного значения: а - схема; б - временная диаграмма

В основе схемы детектора четыре одинаковых полупроводнико­вых диода

(VD1, VD2, VD3, VD4), соединенных в мостовую схему. При поступлении положительной полуволны входного напряже­ния u(t) на верхний зажим открываются диоды VD1 и VD3 (другие диоды закрыты) и через резистор R потечет ток (справа налево). Предполагаем, что ФНЧ имеет большое входное сопротивление и не влияет на работу собственно выпрямителя. При отрицательной полуволне u(t) на верхнем зажиме (т.е. при положительной полуволне на нижнем зажиме) откроются только диоды VD2 и VD4 и через резистор R вновь потечет ток, причем в том же направлении (справа налево). Таким образом, ток через резистор протекает все­гда в одну и ту же сторону (рис. 3.25, б). Этот ток i_R(t) создает падение напряжения на резисторе R. Это однополярное (уже вы­прямленное) напряжение, среднее значение которого пропорцио­нально среднему выпрямленному значению входного напряжения u(t), поступает затем на вход ФНЧ, с помощью которого выпол­няется сглаживание сигнала. В результате на выходе фильтра воз­никает постоянное напряжение, пропорциональное среднему вы­прямленному значению U_с.в. входного напряжения u(t).

Детекторы среднего квадратического значения.Детекторы сред­него квадратического значения (СКЗ) - Root Mean Square (RMS) делятся на аппроксимирующие детекторы (устройства, лишь при­ближенно дающие нужный результат) и детекторы так называе­мого истинного СКЗ (True RMS - TRMS).

Рассмотрим устройство аппроксимирующего детектора СКЗ (рис. 3.26, а).

Основными элементами схемы являются набор однотипных резистивно-диодных цепочек (R1- VD1, R2 - VD2, R3 - VD3,..., Rn - VDn); делитель напряжения, образованный резисторами r1, r2, r3,…, rn, r0 и источником стабильного известного напряжения U₀; a также фильтр нижних частот (ФНЧ). Делитель напряжения создает ряд последовательно возрастающих опорных потенциалов (φ₁, φ₂, φ₃, ..., φ_n). Фильтр нижних частот предназначен для сглаживания кривой выходного напряжения.

При поступлении на вход детектора напряжения u(t), текущее значение U_вх которого больше, чем значение потенциала φ₁ (но меньше значения всех остальных потенциалов), открывается диод VD1 и по цепи R1- VD1-r1 потечет ток i₁. Если входное напряже­ние будет расти, то пропорционально будет расти и ток i₁ до тех пор, пока текущее значение U_вх не превысит потенциал φ₂. При этом, наряду с уже открытым диодом VD1, откроется также диод VD2 и через резистор r1 потечет сумма токов (i₁ + i₂) (рис. 3.26, б). При дальнейшем увеличении входного напряжения будут после­довательно открываться и другие резистивно-диодные цепочки и суммарный ток в резисторе r1 будет расти. Таким образом, чем больше текущее значение входного напряжения U_вх, тем большее число резистивно-диодных цепей откроется и тем, следовательно, больше будет суммарный ток, протекающий в резисторе r1. Под­бором числа и параметров резистивно-диодных цепей можно до­стичь желаемого квадратического характера зависимости суммарного тока (и, следовательно, зависимости выходного напряжение детектора) от текущего значения входного напряжения U_вх.

Детекторы истинного СКЗ, в отличие от рассмотренных апп­роксимирующих, реагируют именно на действительное (реальное) среднее квадратическое (действующее) значение, независимо от формы кривой входного напряжения. На рис. 3.27, а приведен про­стейший детектор истинного СКЗ, в основе которого лежит тер­моэлектрический преобразователь.

Входное измеряемое напряжение u(t) с помощью усилителя пере­менного напряжения Ус_~ усиливается и поступает на термоэлектрический преобразователь

 

(ТП), содержащий две части: нагреватель (Н) и термопару (Т). Переменный ток, протекающий через Н, нагревает его до температуры, пропорциональной квадрату именно действую­щего значения входного измеряемого напряжения u(t). В непосред­ственной близости от нагревателя расположен рабочий спай тер­мопары, поэтому значение ее термоЭДС Е_Т определяется темпера­турой нагревателя и, следовательно, будет пропорционально дей­ствующему значению измеряемого напряжения u(t). Усилитель по­стоянного напряжения Ус_ усиливает выходной сигнал малого уров­ня термопары. Таким образом, независимо от формы входного сигнала выходное постоянное напряжение U_вых такого детектора пропорционально именно истинному действующему значению.

 

 

Рассмотрим один из вариантов устройства такого детектора СКЗ (рис.3.27, б). Прямой канал преобразования, как и в уже рассмот­ренной структуре, создается усилителем Ус_ и термопреобразова­телем ТП1. Чем больше СКЗ входного напряжения, тем больше термоЭДС термопары ТП1 и тем больше выходной ток I_вых усили­теля постоянного напряжения Ус_. Этим током нагревается нагре­ватель второго термопреобразователя ТП2 до температуры, созда­ющей термоЭДС термопары ТП2, практически равной термоЭДС термопары ТП1. Термопары обоих ТП включены встречно. Поэто­му при любых изменениях СКЗ входного напряжения u(t) соответ­ственно изменяется выходной ток I_вых и, следовательно, термо­ЭДС ТП2.

Таким образом, на входе усилителя Ус_ автоматически всегда поддерживается минимальная разность ΔЕ двух термоЭДС: ТП1 и ТП2. Благодаря такой отрицательной обратной связи заметно по­вышаются линейность и точность преобразования. Выходной ток I_вых, протекая по вспомогательному резистору R, создает выход­ное напряжение U_вых детектора, пропорциональное действительному (истинному) СКЗ измеряемого входного напряжения u(t).

Основными достоинствами электронных вольтметров с термо­электрическими детекторами являются высокая точность преобра­зования (до 0,1 %); широкий диапазон частот (до 10 МГц); изме­рение истинного СКЗ напряжения. Пожалуй, единственный недо­статок таких вольтметров - сравнительно невысокое быстродей­ствие, т. е. быстрые изменения СКЗ входного сигнала не воспринимаются сразу в силу тепловой инерционности ТП.