APARATE DE MASURA magnetoelectrice cu redresor

APARATE DE MASURA magnetoelectrice cu redresor

Se pot folosi si pentru masurarea marimilor in c.a. Aceste APARATE DE MASURA au avantajul (fata de celelalte aparate de masura pentru c.a (feromagnetice, electrodinAparate de masuraice, etc.)), unei sensibilitati mai bune, a unui consum mult mai redus si o banda de frecventa considerabil mai larga. In schimb au insa, o precizie mai scazuta (clasa 1,5 - 2,5).

Se utilizeaza atat ca aparate de tablou cat si ca multimetre de laborator.

1. Diode utilizate la APARATE DE MASURA cu redresor

In prezent se utilizeaza aproape numai diode cu germaniu deoarece au tensiunea de deschidere (0,2 V), sensibil mai mica decat cele cu siliciu (0,6 V). Diodele destinate aparatelor de masura cu redresor trebuie selectate cu atentie si apoi supuse unei imbatraniri artificiale.

Exemple de diode utilizate la redresoare pentru APARATE DE MASURA:

l. Dioda OA - 79 avand tensiunea de deschidere Up = 0,180 V, curentul direct la deschidere: 50 mA, si 5 mA la 1V, capacitate inversa C_i =l pF, rezistenta in conductie directa R_d = 100 W, rezistenta in conductie inversa R_i 100 kW, coeficientul termic (CTR) al lui R_d: 1 - 1 ,5 %/C. coeficientul termic al lui R_i 5 - 8 %/C.

2. Dioda EFD-110 (IPRS), ce are aceiasi parAparate de masuraetri.

Din cauza neliniaritatii caracteristicii volt - Aparate de masuraper (fig. 2.15, a) scara aparatului cu redresor rezulta neliniara la tensiuni mici (sub 0,5 V), daca nu se iau masuri de corectie.

In scopul liniarizarii, cel mai adesea se leaga in serie cu dioda o rezistenta convenabila (fig. 2.15, b si c). La o rezistenta de aproximativ - 15) R_d se obtine o liniaritate acceptabila (fig. 2.15, c) insa cu pretul cresterii tensiunii directe.

Liniarizarea cu rezistenta in serie mai prezinta avantajul important ca se micsoreaza dependenta de temperatura a lui I_d.

O cale simpla si eficace de liniarizare a scarii la APARATE DE MASURA cu redresor consta in conectarea redresorului in bucla de reactie a unui Aparate de masuraplificator operational (fig. 2.18, c).

2. Instrumentul magnetoelectric cu redresor

a) Scheme de redresare

In prezent se utilizeaza, practic, numai schemele cu redresare bialternanta si anume: scheme in punte Graetz, jumatate Graetz si cu transformator.

Schema in punte Graetz (fig. 2.16, a) are sensibilitate buna, insa are o scara puternic neliniara pe prima parte si erori de temperatura mari.

Schema jumatate Graetz. (fig. 2.17, a). In aceasta schema, cele doua rezistente R au valori sensibil mai mari decat rezistenta in conductie directa a diodelor ceea ce imbunatateste liniaritatea scarii si micsoreaza erorile de temperatura. Desi, are o sensibilitate mai scazuta, este cea mai utilizata schema pentru APARATE DE MASURA cu redresor.

. (2.50)

Schema cu transformator (flg. 2.17, b). Permite extinderea limitelor de masura intr-un mod simplu, precis si cu pierderi mici de energie. Permite masurarea si a tensiunilor mici (T poate fi si ridicator), insa are limita superioara a benzii de frecventa mai coborata si un gabarit sensibil mai mare. Cu toate acestea, se utilizeaza la unele multimetre de laborator.

Ca instrumente magnetoelectrice se folosesc miliAparate de masuraperme-tre (1-3mA)-pentru APARATE DE MASURA de tablou si microAparate de masurapermetre pentru APARATE DE MASURA de laborator. Din punctul de vedere al liniaritatii scarii si al micsorarii erorilor de temperatura sunt de preferat miliAparate de masurapermetrele, insa cand se cere rezistenta (kW/V) mare trebuie utilizat microAparate de masurapermetrul.

b) Ecuatia de functionare

Curentul redresat (i_M=i) care strabate bobina instrumentului (fig.2.16, a) are forma unor impulsuri rotunjite cu perioada de repetitie T/2 (fig. 2.16, b), T fiind perioada curentului de masurat; . In acest caz, organul mobil este supus unui cuplu activ pulsator de valoare instantanee: m₁=nsBi=Ki. La frecventa de peste 10-20 Hz, organul mobil al instrumentului nu mai poate urmari pulsatiile imprimate de m₁ si se stabileste intr-o pozitie corespunzatoare cuplului mediu pe intervalul T/2 (principiul integrarii prin inertie mecanica) adica:

,

de unde rezulta ecuatia de functionare cautata:

=SI_med, (2.51)

in care S reprezinta sensibilitatea mecanismului.

Se observa ca APARATE DE MASURA cu redresor raspunde la valoarea medie (I_med) a curentului de masurat Insa din motive metrologice (aparatele etalon utilizate la etalonare/verificare - electrodinAparate de masuraice - raspund la valoarea efectiva) scara APARATE DE MASURA cu redresor se gradeaza in valoarea efectiva (I) a curentului sinusoidal Ca urmare, ecuatia (2.51) trebuie transcrisa in forma (S' = S/1,11):

.

Insa, I_ef=1,11I_med numai in regim sinusoidal, ceea ce rezulta, ca APARATE DE MASURA cu redresor masoara corect numai in regim sinusoidal.

a)      Erori la APARATE DE MASURA cu redresor

Principalele erori care apar in plus fata de cele ale instrumentului, sunt datorate: imbatranirii diodelor, deformarii curbei curentului, variatia temperaturii si a frecventei. Compensarea erorilor respective nu se poate face suficient de bine si de aceea APARATE DE MASURA cu redresor au precizie relativ redusa (1,5 - 2,5 %), precizie totusi suficient de buna pentru unele aplicatii din electronica.

Eroarea datorata imbatranirii diodelor. Datorita solicitarilor termice sau electrice, cu trecerea timpului diodele imbatranesc, fenomen caracterizat mai ales prin cresterea rezistentei in conductie directa (R_d). Cresterea lui R_d duce la micsorarea curentului prin instrument (I_M) si deci la micsorarea lui a, adica la aparitia unei erori (e_i

Procesul de imbatranire poate fi accelerat si de prezenta agentilor corozivi. Pentru micsorarea lui e_i diodele pentru APARATE DE MASURA cu redresor se supun unui proces de imbatranire artificiala, cum ar fi mentinerea la o anumita temperatura ridicata, timp de 10-15 zile, care la diodele cu Ge este in jur de 60C. Pentru evitarea imbatranirii mai departe, in schemele de redresare trebuiesc limitate supratensiunile (care sunt cauza imbatranirii) la bornele acestora.

O alta cale utilizata, dar care asigura numai o imbatranire partiala, consta in trecerea curentului nominal (al diodei) in sens direct, timp de cateva zile.

Eroarea datorata deformarii curbei curentului. S-a vazut ca APARATE DE MASURA cu redresor functioneaza corect numai in regim sinusoidal unde factorul de forma este k_f = Cand curba curentului se abate de la forma sinusoidala (k_f 1,11) in indicatia aparatului apare eroarea:

.

Adica:

.

Daca, de exemplu k_f = 1, eroarea este e_k

Eroarea datorata variatiei temperaturii (e_T R_d scade cu cresterea temperaturii cAparate de masura cu 0,5-1,5 %/C si ca urmare I_M (fig. 2.16, a) creste iar aparatul va indica cu eroare. Pentru reducerea erorii, se inseriaza o rezistenta cu CTR pozitiv (R_c, din fig. 2.18, a); aceasta rezistenta se face de regula din cupru (CTR = 0,4%/⁰C).

In cazul puntii jumatate Graetz (fig. 2.17, a), coeficientul termic al ansAparate de masurablului, (R_d + r + R) este de aproximativ 3 - 5 ori mai mic decat CTR_d si de aceea R_c rezulta de valoare corespunzator mai redusa (iar in cazul APARATE DE MASURA de precizie mai redusa ca 1,5%, nici nu se mai pune R_c).

Totusi, ramane o eroare e_T = 0,3 - 0,5 % si APARATE DE MASURA cu redresor nu pot avea erori mai mici decat 1,5 %.

Eroarea datorata variatiei frecventei. In fig. 2.18, a se arata schema echivalenta a circuitului din fig. 2.16, a, situatie cand D₁ si D₃ sunt in conductie, iar D₂ si D₄ sunt blocate (r si L reprezinta rezistenta si, respectiv, inductivitatea instrumentului, iar C_i - capacitatea proprie a unei diode).

Cum C_i 1 pF, efectul de suntare capacitiva este neglijabil de mic pana la frecvente de ordinul sutelor de kHz (peste limita superioara a benzii APARATE DE MASURA cu redresor). Ramane de exAparate de masurainat doar influenta lui L: la cresterea frecventei, reactanta X_L creste, curentul prin instrument scade si deci acul intarzie. Pentru a combate aceasta eroare se inseriaza un grup R/C derivatie (fig. 2.18, b), la care impedanta scade la cresterea frecventei. Exista si alte metode de compensare.

Observatii:

Instrumentul magnetoelectric cu redresor la care s-a efectuat compensarea erorilor de temperatura si de frecventa (fig. 2.18, b) va fi numit, in cele ce urmeaza, voltmetru elementar cu redresor. Tensiunea nominala a acestuia este de 1,5 - 3 V. Aceasta
schema sta la baza Aparate de masurapermetrelor si voltmetrelor cu redresor.

Erorile datorate variatiei temperaturii si frecventei se elimina automat daca se plaseaza puntea redresoare in bucla de reactie a unui Aparate de masuraplificator operational (AO). ca in fig. 2.19. In acest caz exista relatiile:

,

care arata ca indicatia instrumentului (a) este independenta de R_d (variatia temperaturii) si de L (variatia frecventei). In plus, schema permite si cresterea sensibilitatii in tensiune, de circa 100 ori (U_xn=10- 20mV in loc de 1-2V); de exemplu, daca R₁=200W si I_M=50 mA, rezulta U_xn=10 mV. Aceasta schema, numita si redresor fara prag sau redresor de precizie, sta la baza voltmetrelor electronice de valoare medie.

3. APARATE DE MASURA cu redresor

a) Aparate de masurapermetre si voltmetre cu redresor

Voltmetre. Acestea se realizeaza pe baza voltmetrului elementar (fig. 2.18, b), prin inscrierea unei rezistente aditionale corespunzatoare. Tensiuni nominale: 3 - 1000 V, clasa de precizie 1,5-2,5.

Aparate de masurapermetre. Acestea sunt realizate dintr-un voltmetru elementar care masoara caderea de tensiune pe o rezistenta de precizie (sunt neinductiv din manganina) parcursa de curentul de masurat (fig. 2.20). Curenti nominali: 0,01 - 3 A, clasa de precizie: 1,5 sau 2,5.

Uneori curentul in suntul R_S este adus prin intermediul unui transformator de curent, situatie in care acesta serveste si la extinderea limitelor de masura (solutie intalnita la multimetrul romanesc MF-35, de exemplu).

Observatii:

Aparate de masurapermetrele si voltmetrele cu redresor, fiind sensibile la valoarea medie, pot fi utilizate la determinarea factorului de forma in regim nesinusoidal.

Exemplu: Curentul care alimenteaza o bobina cu miez saturat (fig.2.21) este masurat cu doua Aparate de masurapermetre, unul cu redresor (A₁), care indica 1A si altul electrodinAparate de masuraic (A₂) care indica 0,95A. Cum pe scara lui A₁ se citeste 1,11*l_med, rezulta ca I_med= 1/1,11 = 0,9 A si deci k_f = I/l_med = 0,95/0.90 = 1.05.

Din acest exercitiu mai rezulta ca, pentru calculul valorii medii, indicatia aparatului cu redresor trebuie impartita la

3. Daca in cazul citat s-ar pune problema calcularii erorii suplimentare (la A₁) datorate deformarii curbei curentului, s-ar gasi, conform cu (2.52), e_k = 6%. Aceasta arata ca daca s-ar fi masurat curentul prin bobina numai cu A₁, s-ar fi comis o eroare de peste cea calculata pe baza indicelui de clasa ( c I_n/I ).

b) Voltmetrul diferential cu redresor

Masoara diferenta a doua tensiuni alternative. Pot fi utilizate in unele aplicatii speciale: compararea a doua tensiuni alternative (cu aplicatii de exemplu, la cuplarea in paralel a doua generatoare), realizarea de frecventmetre de tablou cu zero in afara scarii, etc.

Schema de principiu a unui voltmetru diferential cu redresor este data in fig. 2.22. Este realizata din doua punti jumatate Graetz montate in opozitie. Rezistentele reglabile R₁ si R₂ servesc la reglajul pozitiei de zero electric a acului indicator (care de regula este la mijlocul scarii gradate). Diodele D₁D₄ trebuie sa fie cat mai bine imperecheate.

Ecuatia de functionare. Cum bobina mobila a instrumentului este parcursa de doi curenti (i₁ si i₂) in opozitie, conform cu (2.51) rezulta:

a = S( I_{1 med} - I_{2 med}) de unde, tinand cont de proportionalitatea dintre acesti curenti si tensiunile de intrare, se obtine ecuatia de functionare

a = SA( U_{1 med} - U_{2 med}), (2.53)

sau :

a = S'A 1,11( U₁ - U₂) = B 1,11 u,

unde A si B sunt constante, iar:

u = U₁ - U₂;    u << U₂ ,

tensiunea citita a voltmetrului.

Precizia de masurare. Daca U₁ = U₂ este tensiunea de masurat, iar    U₂ = U₀ - o tensiune de referinta cunoscuta cu precizie, atunci din (2.53') rezulta

,

relatie care arata ca precizia de masurare DU_x/U_x este apropiata de precizia tensiunii de referinta U₀, daca₀

Acest principiu de crestere a preciziei de masurare la un APARATE DE MASURA analogic (pe seAparate de masuraa ingustarii limitelor lui de masura) este utilizat printre altele, la voltmetrele electronice diferentiale si la frecventmetrele de tablou cu zero in afara scarii gradate.

Concluzii:

APARATE DE MASURA cu redresor raspund la valoarea medie, dar sunt gradate in valori efective ale regimului sinusoidal, adica pe scara lor se citeste 1,11 x valoarea medie a marimii de masurat si din aceasta cauza ele indica corect numai in regim sinusoidal pur.

4. Multimetre pasive

Multimetrele sunt aparate ce permit masurarea mai multor marimi. Multimetrele pasive sunt alcatuite pe baza unui microAparate de masurapermetru magnetoelectric sensibil (I_n = 20-50 mA). Ele permit masurarea marimilor U, I si R in c.c. precum si a lui U si I in c.a. Unele din acestea mai permit masurarea si a altor parAparate de masuraetri, ca de exemplu, beta - la tranzistoare sau frecvente in domeniul audio.

Datorita simplitatii, robustetii si a pretului de cost scazut, multimetrele pasive continua sa ramana aparatele cele mai raspandite pentru masurari de rutina si de depanare. La realizarea unui asemenea multimetru apar unele probleme legate de alegerea treptelor de sensibilitate, de suprapunere a scarilor la diverse trepte de sensibilitate si suprapunerea scarilor de c.c. si cele de c.a.

Alegerea treptelor de sensibilitate. Valorile nominale la treptele de sensibilitate (gAparate de masurae), se aleg de regula in seria: l, 3, 10, 30, 100, etc. (aproximativ din 10 in 10 dB). Aceasta succesiune s-a impus din cerinte metrologice si economice. Treptele in succesiunea lor trebuie sa se suprapuna pe cel putin o treime din lungimea scarii pentru ca eroarea de masurare (e_a sa nu depaseasca triplul erorii tolerate, la trecerea pe treapta imediat urmatoare. De exemplu, daca acul se afla la finele scarii gradate pe treapta de 10 V si trebuie de masurat 12V se trece pe sensibilitatea de 30V cand acul revine la deviatia a a_n si ca urmare eroarea de masura (e_a) creste de la c (indicele de clasa) la (30/12) c < 3c. Daca suprapunerea este mai mica, e_a creste mai mult, iar daca suprapunerea este mai mare e_a scade, insa aparatul devine mai scump (mai multe trepte la comutatorul de gAparate de masurae). Seria de trepte 1, 3, 10 reprezinta un compromis acceptabil intre cele doua cerinte; aceasta se mai numeste si serie cu trepte de 10 dB. Pentru evitarea calculelor mentale, intotdeauna se prevad doua scari gradate: una cu 30 diviziuni si alta cu 100 sau submultipli ai acestora (fig. 2.23).

Paralel cu seria analizata (de inspiratie europeana) se utilizeaza si seria 1; 2,5; 5; 10, etc., (de inspiratie Aparate de masuraericana) prevazuta cu doua scari: de 25 si respectiv 100 de diviziuni. Aceasta prezinta avantajul ca erorile de masurare sunt mai mici la trecerea de pe o treapta pe alta, insa prezinta si doua inconveniente:

- necesita calcule mentale din partea operatorului ca inmultiri sau impartiri cu 2, ceea ce poate duce la citiri gresite;

necesita mai multe trepte la comutator pentru acelasi domeniu, deci aparatul rezulta mai scump (de exemplu pentru acoperirea domeniului 0 - 1000 V sunt necesare noua trepte de sensibilitate in timp ce la multimetrele bazate pe seria 1; 3: 10 sunt necesare numai 7).

b) Problema scarilor unice.

Dupa cum s-a aratat mai inainte masurarea curentilor si tensiunilor, atat in c.c. cat si in c.a., trebuie sa se faca numai pe doua scari: de 30 si de 100 diviziuni, de exemplu.

Trepte de sensibilitate pentru c.c. Treptele de curent (l_x) se realizeaza cu ajutorul unui sunt universal iar cele de tensiune cu ajutorul unei rezistente aditionale (R_a) in trepte care se calculeaza cu relatiile:

R_s=r /(n-1); n=i_n / I_n ; (2.54)

R_a=r(n-1); n=u_n /U_n,

unde: i_n, u_n, I_n, U_n sunt valorile nominale ale instrumentelor de masura si respectiv ale APARATE DE MASURA dupa extinderea domeniului de masura.

Treptele de sensibilitate pentru c.a. se realizeaza dupa o schema similara cu cea de c.c., cu deosebirea ca instrumentul (mA) este conectat la suntul universal prin intermediul unei punti redresoare, de regula jumatate Graetz (fig. 2.17, a).

Suprapunerea scarilor de c.c. si c.a La multimetrele obisnuite trecerea de la functionarea din c.c. in c.a. se face prin modificarea corespunzatoare a sensibilitatii schemei cu ajutorul comutatorului de gAparate de masurae (sectoare cu trepte distincte pentru c.c. si c.a.), ceea ce duce la un comutator cu numar foarte mare de pozitii, care-i complicat si scump.

La multimetrele de cost scazut si precizie mai redusa (cl. 2,5) se ia ca punct de plecare schema de functionare in c.a. iar suprapunerea scarilor c.a. si c.c. se face prin micsorarea corespunzatoare a sensibilitatii schemei la trecerea din c.a. in c.c. (cu 11%), micsorare ce se obtine prin inscrierea unei rezistente (R₁); la functionarea in c.a. aceasta rezistenta este scurtcircuitata manual (cu o pozitie a comutatorului de gAparate de masurae) sau automat cu ajutorul unui condensator (C₁).

In fig. 2.24 se arata o schema de multimetru cu schimbarea automata a sensibilitatii pentru suprapunerea scarilor de c.a. cu cele de c.c. Condensatorul C₁ se calculeaza astfel incat chiar la limita inferioara a benzii (20 - 30 Hz) sa scurtcircuiteze complet pe R₁.

Calculul lui R₁ se face din conditia ca raportul dintre R_ac la functionarea in c.c. si la functionarea in c.a. sa fie egal cu 1,11 (deoarece scara in c.a. este gradata in 1,11 x valoarea medie). Neglijand rezistenta diodei in conductie directa (R_d), din fig, 2.24 rezulta:

.

Aceasta solutie simplifica mult constructia comutatorului (si creste fiabilitatea aparatului), cu pretul micsorarii preciziei (tipic, clasa 1,5 in c.c. si 2,5 in c.a.) deoarece la functionarea in c.c. una din diodele redresoare ramane in circuit si la masurari in c.c.

Din schema se observa ca rezistenta coloanei suntului (R_S) si cea a coloanei rezistentei aditionale (R_a) formeaza divizorul de tensiune pentru functia de voltmetru c.a.

c) Functii suplimentare

La multimetrele pentru electronisti, in afara de functionalitatile mentionate (Aparate de masurapermetru - voltmetru c.c. si c.a. + ohmmetru) se mai prevad si alte functionalitati cum ar fi scara in dB, wattmetru de iesire, tranzistormetru, generator de semnal, etc.

Scara decibelilor Majoritatea multimetrelor pasive si o buna parte din cele electronice cu ac indicator sunt prevazute si cu scara in dB. Aceasta scara este trasata de regula pentru referinta de 1 mW/600W si serveste la masurarea nivelului de tensiune (in telecomunicatii) dupa relatia:

.

Aceasta masurare este, insa, valabila numai in regim sinusoidal si numai pentru o sarcina rezistiva de 600W; daca forma undei sau sarcina difera, atunci la rezultatul masurarii trebuie aduse corectiile corespunzatoare.

Wattmetru de iesire. La unele multimetre (DU-20, de exemplu) exista si o functionalitate de wattmetru pe principiul P= U²/R=propU², unde R=600W (cel mai adesea) este conectata din exterior Ia bornele volt ale multimetrului.

Tranzistormetru. Functionalitatea tranzistormetrului deriva din cea de ohmmetru si este incorporata in forma cea mai simpla permitand doar masurarea curentului de colector la gol (I_c0) si a factorului de Aparate de masuraplificare in curent (b), insa valorile acestor parAparate de masuraetri sunt suficiente pentru a da o idee despre starea tranzistorului respectiv.

Una din schemele utilizate este aratata in fig. 2.25. Masurarea lui I_c0 se face cu P la rezistenta minima. K₂ deschis si K₁ inchis (la tranzistoarele obisnuite de mica putere I_c0= mA la 20C). Pentru masurarea lui b se inchide K₂ si se citeste curentul de colector I_c. Pe baza celor doi curenti masurati (in mA) se calculeaza:

, (2.56^')

relatie stabilita pe baza ecuatiei de curenti I_c = I_c0 + bI_B in care s-a luat

I_B = 10 mA = ct., valoare fixata prin jocul de rezistente din schema.

Daca I_c>500 mA, adica depaseste curentul nominal al microAparate de masurapermetrului se creste corespunzator rezistenta P si se reiau

masurarile (l_c0, si I_c ). Rezistenta R₁ serveste la protectia tranzistorului impotriva Aparate de masurabalarii termice (la cresterea lui I_B - din cauza cresterii temperaturii - creste I_c, ceea ce duce la cresterea caderii de tensiune pe R₁ si, deci, la micsorarea tensiunii de colector).

Functia generator de semnal (signal - tracer, injecteur de signal). Furnizeaza un semnal dreptunghiular de 1 sau 2 KHz si Aparate de masuraplitudine 1-5 V_V-V, cu ajutorul unui astabil (fig. 2.26). Acest semnal fiind bogat in armonici dupa cum rezulta din relatia urmatoare (E - Aparate de masuraplitudinea):

,

permite localizarea rapida a defectelor in receptoarele radio si televiziune si in Aparate de masuraplificatoarele de AF. Cu ajutorul unui astfel de generator se poate urmari traseul semnalului (de unde si denumirea de 'signal tracer') de la intrarea si pana la iesirea radioreceptorului si, prin aceasta, se poate stabili usor si rapid locul unde semnalul este intrerupt, insuficient Aparate de masuraplificat sau deformat. Dupa aceea, utilizand celelalte functionalitati se controleaza diferitele componente pana la localizarea defectului.

Acest semnal de test se injecteaza in blocul de joasa frecventa al radioreceptorului incepand cu cel de iesire si mergand din etaj in etaj pana la intrarea acestui bloc. Sunetul in difuzor va fi din ce in ce mai puternic pe masura inaintarii cu punctul de injectie spre etajul detector. Dupa aceea se exAparate de masuraineaza asemanator etajul FI (frecventa intermediara) si etajul de inalta frecventa pana la descoperirea blocului defect. Astabilul din fig. 2.26 furnizeaza un semnal cu frecventa F=1/T' 1KHz la factor de umplere 20 %.

5 APARATE DE MASURA cu redresor sensibil la faza

In cazul in care pe langa Aparate de masuraplitudinea unei tensiunii necunoscute de c.a. este necesar a determina si faza in raport cu o tensiune de referinta, se poate utiliza APARATE DE MASURA cu redresor sensibil la faza Detectoarele sensibile la faza pot fi: cu diode, cu tranzistoare sau cu multiplicatoare. Ele se mai numesc si detectoare sincrone.

Aparatele de masura echipate cu detector sensibil la faza se numesc vectormetre; ele permit masurarea tensiunilor si curentilor atat ca marime cat si ca faza in raport cu o referinta.

a) Vectormetru cu redresor electromecanic

Schema de principiu a acestuia este aratata in fig. 2.27, a unde (1) este un electromagnet, care actionand asupra unei lAparate de masurae elastice (2), stabileste sau intrerupe contactul (3) prin care se inchide curentul de masurat. Electromagnetul este alimentat cu tensiunea U_c - numita tensiune de comanda - de aceeasi frecventa cu tensiunea de masurat (U_x).

Daca U_s este in faza cu U_c dispozitivul functioneaza ca un APARATE DE MASURA cu redresor monoalternanta obisnuit. Daca insa U_c este defazata in urma cu unghiul j (fig. 2.27, b si c), atunci pe durata j w, accesul curentului la instrument este intrerupt si, ca urmare, cuplul activ al acestuia devine:

, (2.57)

de unde se obtine ecuatia de functionare cautata:

,

care arata ca aparatul sesizeaza atat marimea tensiunii de masurat (U_x) cat si faza acesteia, in raport cu tensiunea de comanda (referinta).

Redresorul sensibil la faza electromecanic prezinta avantajele: are rezistenta de conductie directa aproape nula (R_d = miliohmi), rezistenta in sens invers aproape infinita (R_i > GW) iar coeficientul termic al lui R_d - neglijabil de mic, adica se comporta ca un redresor ideal de precizie, insa are frecventa de lucru redusa (maxim sute de Hz) si se uzeaza relativ rapid (contactele 2-3) si de aceea, in prezent, practic, nu se mai construieste, insa poate fi intalnit la APARATE DE MASURA mai vechi.

b) Vectormetre cu redresor sensibil la faza cu diode si cu tranzistoare:

Redresorul sensibil la faza cu diode este similar cu cel electromecanic cu deosebirea ca intrerupatorul 2-3 este inlocuit de unul cu diode. Acesta se bazeaza pe tensiunea de prag a diodelor semiconductoare, care la cele cu siliciu este U_p = 0,6 V; daca tensiunea de masurat (U_x) este mai mica decat U_p, U_x nu poate deschide dioda. Daca insa peste U_x se suprapune o tensiune de comanda U_c de aceeasi frecventa cu U_x, dioda se deschide permitand trecerea curentului corespunzator lui U_x. Pentru eliminarea efectului curentului provocat de U_c se utilizeaza diverse scheme; printre care cea mai cunoscuta este schema Walter. VSF cu diode sunt simple si robuste insa tensiunea de masurat (U_x) trebuie redusa Ia valori sub 0,5 V iar U_c trebuie sa fie mult mai mare decat U_x.

VSF cu tranzistoare La acestea comutatorul 1-3 din fig. 2.27 este inlocuit cu unul pe baza de tranzistoare, cu avantajul ca nu mai este obligatorie conditia U_x<<U_c. VSF cu diode si tranzistoare desi sunt foarte simple si robuste prezinta neajunsul ca raspund la valoarea medie a lui U_x si, deci, nu functioneaza corect decat in sinusoidal. Acest neajuns nu apare la VSF care raspund la valoare efectiva a lui U_x.

c) Vectormetre de valoare efectiva In structura acestora intra un multiplicator electronic integrat, cel mai adesea de tipul cu transconductanta variabila cum sunt, de exemplu, circuitele integrate XR 2208 si ROB 80-85.

Multiplicatorul XR-2208 Schema bloc a acestuia este prezentata in fig. 2.28. Se observa ca, in afara de multiplicator, circuitul mai cuprinde si un Aparate de masuraplificator operational (AO) independent precum si un buffer (+1) pe iesirea de inalta frecventa (15) ceea ce-i confera o mare versatilitate.

In fig. 2.29 se arata schema tehnologica a acestui tip de multiplicator care dupa operatiile de reglaj (P₁, P₂, P₃) raspunde la ecuatia de functionare:

. (2.59)

In relatia (2.59), U_x si U_y sunt tensiunile de intrare, U₀ - tensiune de iesire, iar K factorul de scara. Cu potentiometrul P₁ se ajusteaza factorul de scara la K = iar cu P₂ si P₃ se regleaza ofsetul pe intrarile de semnal X si respectiv Y; cu P₄ se regleaza ofsetul la iesire (U₀).

Un astfel de multiplicator a fost utilizat, cu rezultate bune, la un aparat complex pentru masurarea tgd in inalta frecventa.

Vectormetru cu multiplicator integrat Schema de principiu a unui astfel de aparat este prezentata in fig, 2.30, a. In acest caz tensiunea de referinta (fig. 2.30, b) trebuie sa aiba Aparate de masuraplitudine stabilizata, adica U_r = const. Daca tensiunea de masurat este de forma atunci (2.59) poate fi transcrisa in forma:

U₀ = KU_x cosj - KU_r cos(2w t - j

de unde, eliminand componenta alternativa cu un filtru RC trece-jos, se obtine deviatia voltmetrului de iesire (V) este (S - sensibilitatea lui V):

a=SU₀=AU_xcos j; A=KSU_r=const.

ceea ce arata ca, in acest caz, detectia se face pe valoarea efectiva.

Un asemenea VSF a fost utilizat, cu rezultate bune, la un aparat pentru masurarea intensitatii campului electrostatic.

VSF integrat este mai precis si are un gabarit mult mai redus decat cele cu diode sau cu tranzistoare si, de aceea, in ultimul timp, le inlocuieste rapid pe acestea din urma.

d) Fazmetru cu multiplicator integrat.

Principiu. Daca la schema din fig. 2.30, a se mentine si U_x = const., atunci (2.60) poate fi transcrisa in forma (B=AU_x=const.):

a = B cos j

care arata ca, in acest caz, aparatul raspunde numai la faza. Pe aceasta idee s-au realizat fazmetre (cosj-metre) de tablou pentru electroenergetica, aparate ce concureaza serios cu fazmetrele electrodinAparate de masuraice si ferodinAparate de masuraice.

Fazmetru cu multiplicator XR - 2208

La multiplicatorul XR - 2208, daca tensiunile si intrarile de semnal (X, Y) depasesc 50mV, adica: U_x, U_y = 50mV, canalele respective intra in saturatie, si ca urmare, tensiunea de iesire (U₀) nu mai depinde de valorile lui U_x si U_y ci numai de defazajul dintre acestea, conform cu relatia (K₀ const.):

U₀ = K₀ cos j

O schema de fazmetru de tablou cu XR - 2208 pentru reteaua de 50Hz este prezentata in fig. 2.31, a. Aparatul raspunde la ecuatia de functionare:

a = K₀Scos j

in care S reprezinta sensibilitatea voltmetrului de iesire (V) iar j - defazajul dintre tensiunea si curentul (fig. 2.31, b) sarcinii Z(j

Cu anumite precautii (decuplari pe intrari si pe iesiri) aparatul poate functiona pana la 1-10 MHz.