REDUCTOARE DE TENSIUNE

REDUCTOARE DE TENSIUNE

Reductoarele de tensiune sunt dispozitive independente ce servesc la micsorarea tensiunii la un nivel comparabil cu tensiunea de intrare a aparatului de masurat.

In acest scop se utilizeaza fie divizoare de tensiune pentru tensiuni continue sau pentru tensiuni alternative, fie transformatoare de tensiune.

3.1.1 DIVIZOARE DE TENSIUNE

Pentru tensiuni continue sunt utilizate, in general, divizoare rezistive bobinate, avand clasa de exactitate 110 ppm, sau rezistente cu pelicula metalica cu clasa de exactitate 0,10,5 %.

Asa cum se prezinta in figura 3.1 aceste divizoare pot fi fixe sau reglabile.

In cazul divizorului fix din Fig. 3.1a, raportul de divizare "m" este:

(3.1)

Pentru cazul in care, de exemplu, rezistenta de intrare a voltmetrului conectat la bornele rezistentei R₂ este foarte mare atunci:

(3.2)

Clasa de exactitate a divizorului, , se va calcula cu metoda diferentialei logaritmice, plecand de la ecuatia (3.2):

De unde se trece la erori rezultand:

(3.3)

Divizoarele reglabile sunt intalnite, fie ca dispozitive independente, fie la intrarea voltmetrelor de c.c. pentru prescrierea gamelor de masurare.

Un divizor reglabil (Fig. 3.1.b) are raportul de divizare dependent de pozitia comutatorului K:

(3.4)

Exista si divizoare speciale cum ar fi divizorul cu autocalibrare sau divizorul Kelvin-Varley.

La divizorul cu autocalibrare una dintre rezistentele divizorului este de inalta precizie si serveste la verificarea exactitatii celorlaltor rezistente ale divizorului (prin comparatie, folosind punte, compensator).

Clasa de exactitatea tipica a acestui divizor este: 0,001 %.

Divizorul Kelvin-Varley, Fig. 3.2, permite reglarea tensiunii cu mentinerea constanta a rezistentei de intrare.

Deoarece ultimul comutator (K_n in cazul general, sau K₄, in Fig. 3.2) poate fi pe oricare din cele zece pozitii, pentru a elimina influenta rezistentei sarcinii, R_s, trebuie ca:

sau pentru Fig. 3.2,

Cum se poate vedea si din Fig. 3.2, prima treapta contine un set de 11 rezistente de valoare R₁, treapta a doua contine un set de 11 rezistente de valoare R₂ si asa mai departe. Doar ultima treapta contine numai 10 rezistente de valoare R_n fiecare.

Penultimul sistem dublu de comutatoare K_n-1 indiferent pe ce pozitie se afla de la 0-2 la 9-11 pune in paralel 2 rezistente de valoare R_n-1 cu ultimele 10 rezistente de valoare R_n.

Daca

sau pentru cazul din Fig. 3.2.

Deoarece, doua rezistente inseriate de valoare R_n-1 fiecare sunt puse in paralel, prin intermediul comutatorului K_n-1, cu o rezistenta egala cu ,    rezulta ca rezistenta echivalenta a sirului de 11 rezistente de valoare R_n-1 devine egala cu .

La fel se intampla si pentru celelalte sisteme de comutatoare, progresiv de la antepenultimul pana la primul comutator dublu, K₁, rezultand ca rezistenta la intrarea acestui divizor este constanta si egala cu , indiferent de pozitia celor "n" comutatoare, daca rezistentele sunt astfel alese:

; ;; ; (3.5)

sau pentru cazul din Fig.3.2, daca:

; ; (3.6)

Clasa de exactitate a acestui divizor este mare, fiind de ordinul 1 ppm.

Rezolutia lui depinde de numarul de decade ea fiind egala cu 10^-n sau in cazul din figura este de 10^-4. Pentru pozitia comutatoarelor din Fig.3.2 raportul tensiunilor este:

Divizorul Kelvin-Varley are avantajul fata de celelalte divizoare reglabile, ca obtine o rezolutie mare utilizand un numar mic de rezistente, care bineinteles sunt de mare exactitate.

Principalele divizoare pentru tensiuni alternative sunt:

• divizoare capacitive;
• divizoare inductive;
• divizoare RC compensate in frecventa.

Fata de divizoarele pentru curent continuu, in acest caz apare si parametrul banda de frecventa.

In Figura 3.3a se prezinta un divizor capacitiv.

Raportul de divizare, m, este:

(3.7)

S-a neglijat impedanta de sarcina Z_s, adica s-a considerat:

Divizoarele capacitive sunt folosite la masurarea tensiunilor inalte cu amplitudini de ordinul kV zeci kV si domeniul de frecventa 50 Hz 50 MHz.

Ele se construieste in varianta coaxiala cu dielectric aer sau vid.

Clasa de exactitate este de ordinul 0,2 0,5%

Divizoarele inductive, Fig.3.3b, sunt construite pe principiul autotransformatorului coborator.

Raportul de divizare, m, este:

(3.8)

Ele se realizeaza ca divizoare fixe sau divizoare reglabile similare celor rezistive (simple sau Kelvin - Varley), avand clase de exactitate de ordinul 1 10 ppm.

Divizoare RC compensate

Deoarece la frecvente peste zeci de kHz, raportul de divizare m al divizorului rezistiv, Fig. 3.1a, incepe sa fie influentat de frecventa, datorita aportului adus de capacitatile parazite, (de exemplu capacitatea proprie a aparatului conectat la iesire, etc.), fiecare din cele doua rezistente ale divizorului rezistiv fix se sunteaza cu capacitati adecvate.

Ca si in cazul divizoarelor rezistive, exista atat divizoare RC fixe, cat si divizoare RC reglabile.

Un divizor RC fix compensat in frecventa este prezentat in Fig. 3.3c.

Raportul de divizare, m, este:

(3.9)

(3.10)

(3.11)

(3.12)

Se observa ca raportul de divizare, m, este dependent de frecventa, cea ce constituie un dezavantaj.

Daca

(3.13)

atunci, m nu depinde de frecventa realizandu-se astfel o compensare in frecventa.

In aceste conditii:

(3.14)

Realizarea compensarii se face intotdeauna prin reglarea lui C₁, pana ce este indeplinita conditia de compensare (3.13), deoarece acesta este mai mic decat C₂.

Controlul compensarii in frecventa, adica a conditiei (3.13) se poate face prin aplicarea la intrarea divizorului RC a un semnal dreptunghiular si urmarire formei lui la iesire.

In Fig. 3.3.c se prezinta formele tensiunii la iesirea divizorului RC in functie de valoarea capacitatii reglabile C₁

Divizoarele RC reglabile se utilizeaza la prescrierea gamelor de masura la voltmetre electronice si la osciloscoape catodice.

3.1.2 TRANSFORMATOARE DE TENSIUNE

Transformatorul de tensiune este prezentat in Fig. 3.4.

Tensiunea primara (tensiunea de masurat - U₁) este standardizata in seria 1, 3, 10, 15, 30 kV, iar cea secundara (U₂) este intotdeauna 100 V.

Aceste transformatoare au si rolul de a izola electric aparatul de masurat in raport cu tensiunea inalta si deci de a proteja operatorul.

Cum voltmetrul, V, consuma un curent mic de ordinul 110 mA, transformatorul de tensiune lucreaza practic in gol.

Pentru circuitul primar:

(3.15)

unde: E₁ este tensiunea indusa de fluxul magnetic creat de infasurarea primara comun.

Z₁ este impedanta la bornele primarului.

Pentru circuitul secundar:

(3.16)

La circuitul secundar, care este generator, tensiunea indusa in secundar, E₂, este:

Z₂ este impedanta secundarului.

E₁ si E₂ pot fi scrise sub forma:

Daca se considera

Rezulta ca:

(3.17)

Deoarece I₁ si I₂ nu sunt chiar egali cu zero, se observa ca apare:

• eroare de unghi     (U₁ si U₂ nu sunt exact in antifaza)
• eroare de raport

Precizia transformatorului de tensiune se evalueaza pe baza lui si . Clasele de exactitate sunt: c = 0,02 % 3 %.

Pentru reducerea tensiunilor de peste 100 kV se utilizeaza o combinatie de divizor capacitiv - transformator de tensiune, solutie mai economica decat transformatorul de tensiune.