Redresoare de masurare

Redresoare de masurare

In prelucrarea semnalelor variabile in timp, aproape intotdeauna se impune prezenta unui redresor de masurare, care sa asigure la iesirea sa o tensiune (curent) de o polaritate data, reprezentand o valoare caracteristica a marimii variabile (valoare medie, valoare de varf, valoare medie dependenta de faza s.a.). Redresoarele de masurare trebuie sa asigure precizie si liniaritate cat mai buna in transferul de informatie. In acest scop redresoarele de masurare utilizate in aparatele de masurare electronice sunt realizate in general cu amplificatoare operationale.

1. Redresoare de masurare pentru valori medii

Redresoarele de masurare pentru valori medii (absolute) asigura la iesirea lor o tensiune electrica proportionala cu valoarea

,     (3.75)

a tensiunii periodice u(t) cu perioada T.

Schemele de redresare utilizate la aparatele de masurare magnetoelectrice cu redresor au caracteristica de transfer neliniara la tensiuni mici (sub 0.3 - 0.7 V - pragul de deschidere al diodelor). Daca scara aparatelor analogice permite luarea in considerare a acestei neliniaritati aparatele de masurare digitale nu pot compensa neliniaritatile redresorului. Redresoarele cu AO stabilesc o relatie liniara intre marimea de iesire si de intrare in intregul interval de masurare.

Elementele redresoare sunt introduse in reactia negativa a AO. Sarcina redresorului are rezistenta foarte mare, incat curentul absorbit de aceasta se poate neglija. La alternanta pozitiva a tensiunii u_i (redresorul monoalternanta fig.3.48, a), pana cand u₀ nu depaseste tensiunea prag de deschidere a diodei D₂, amplificatorul functioneaza in bucla deschisa. Amplificarea fiind mare, u₀ atinge valoarea tensiunii prag la valori mici ale lui u_i (de ex. daca tensiunea prag este de 0.7 V, amplificarea A₀=25000, dioda se va deschide la tensiunea u_i =0.7/25000=28 mV). Dupa deschiderea diodei D₂ amplificatorul functioneaza cu reactie negativa; intrucat R₂=R₁ si R₂>>R_d (R_d - rezistenta diodei in conductie) rezulta u₀=-u_i, dar la iesire tensiunea este nula, u_e=0. La alternanta negativa a lui u_i se deschide dioda D₁ si se culege tensiunea u_e=u₀-R_di₂

Dar considerand AO ideal, se poate scrie:

u_i=R₁i₁ ; u₀=(R₂+R_d)i₂ ; i₁+i₂=0;

de unde rezulta

u_e=R₂i₂=-u_i

adica tensiunea de la iesire este independenta de rezistenta neliniara a diodei.

Cea mai utilizata schema de redresare bialternanta este cea din fig.3.48, b cu iesire flotanta. Similar cu cazul precedent, se poate demonstra si in acest caz relatia (3.68), valabila in ambele alternante. Schema asigura precizie ridicata si neliniaritate mica (sub 0.01%).

Precizia redresoarelor prezentate este determinata de precizia rezistentelor, tensiunii si curentului de decalaj al AO. La frecvente mari precizia redresoarelor de masurare pentru valori medii scade datorita scaderii amplitudinii AO in bucla deschisa, a capacitatii diodelor, etc. Redresoarele de masurare pentru valori medii sunt utilizate frecvent intre frecventele de 20 Hz si 100 KHz, iar in executii speciale (cu AO de calitate) limita de frecventa se poate extinde pana la 10 MHz.

2. Redresoare de masurare pentru valori de varf

Redresoarele de masurare pentru valori de varf (detectoare de varf) sunt utilizate in voltmetrele electronice de valori de varf si in sisteme de masurare (urmarire) cu esantionare-memorare. Ele convertesc tensiunea variabila in timp, in tensiune continua egala cu valoarea de varf (), negativa () sau varf-varf () a tensiunii de intrare.

Schemele de baza ale detectoarelor de varf se realizeaza in varianta serie, paralel sau serie-paralel (fig.3.49). Curbele tensiunilor din diferite puncte ale schemelor sunt desenate pornind din starea initiala nula.

Detectorul de varf serie (fig.3.49, a) are dioda D deschisa numai in alternante pozitive, dar numai in intervalele de timp cat u_t>u₀. Prin dioda condensatorul C se incarca, iar in timpul alternantelor negative se descarca prin rezistenta R (de regula rezistenta de intrare a voltmetrului electronic de c.c). Daca constanta de timp t=RC este mult mai mare decat perioada tensiunii de intrare, tensiunea de iesire u₀ se stabileste la valoarea de varf a lui u_i (u₀=, iar daca dioda D s-ar conecta invers, ar rezulta u₀= - ).

Tensiunea maxima pe dioda este U_vv, iar rezistenta de intrare in redresor R_i=R/2. Detectorul de varf serie are dezavantajul ca transmite la iesire si componenta continua a tensiunii de intrare.

La detectorul de varf paralel (fig.3.49, b) dioda D conduce numai in timpul alternantelor negative, cat timp |u_i|>u_c. Daca t=RC>>T, valoarea medie a tensiunii de iesire (u₀ trebuie filtrat cu un filtru trece-jos) este egala cu valoarea de varf a lui u_i (in figura U_{0 med}=, inversand dioda, se va obtine U_{0 med}= - ). Condensatorul de intrare C nu permite trecerea componentei continue a tensiunii de intrare. Tensiunea maxima pe dioda este U_vv, iar rezistenta de intrare a detectorului R_i=R/3.

Ambele tipuri de detectoare de varf pot functiona pana la frecvente foarte mari (f_max=100 MHz - 1GHz), dar datorita tensiunii prag de deschidere a diodei de peste 0.1 V, limita minima de functionare este peste 0.1 V.

Inseriind un detector de varf pozitiv cu unul de varf negativ se obtine un detector de valori varf-varf (fig.3.49, c).

Detectoarele de varf de mare precizie si sensibilitate ridicata se realizeaza cu amplificatoare operationale. Un detector de varf cu AO (fig.3.50) cuprinde schema redresoare in bucla de reactie. Dioda detectoare D se deschide la o tensiune de intrare de A₀ ori mai mica decat tensiunea prag a diodei, iar influenta caderii de tensiune a diodei se reduce la fel de A₀ ori. Sensibilitatea acestui tip de detector creste (limitele de masurare 1 mV - 1V) dar se reduce substantial frecventa maxima la care se poate utiliza.

3. Redresoare de masurare sincrone

In lantul de masurare adesea este necesara redresarea unei tensiuni periodice astfel incat valoarea tensiunii continue sa reflecte si relatia de faza fata de o tensiune de referinta. In schema de principiu a unui redresor (detector) sincron (sensibil la faza) monoalternanta (fig.3.51, a) comutatorul K se inchide sincron cu tensiunea de comanda u_c.

In starea inchisa a lui K la iesire se transfera tensiunea de intrare, valoarea medie U_{0 med} depinzand de defazajul tensiunii de intrare fata de cea de comanda.

Daca la intrare se aplica o tensiune sinusoidala u_i=U_imsin(wt+j), valoarea medie a tensiunii de iesire este :

U_{0 med}==U_im cos j (3.77)

In figura 3.52, a si b se observa "Principiul detectiei sincrone" astfel: a) schema de principiu; b) tensiunea redresata la diferite relatii de faza intre tensiunea de comanda u_c si tensiunea de intrare sinusoidala u_i.

Daca tensiunea de intrare este nesinusoidala u_i=, valoarea medie a tensiunii de iesire este:

U_0med= = (3.78)

Se constata ca armonicile pare au un efect nul asupra tensiunii redresate, iar faptul ca armonicile superioare impare afecteaza valoarea medie constituie un neajuns al detectorului sincron, care se poate elimina prin utilizarea unui amplificator selectiv inaintea detectorului sincron. In cele mai multe lanturi de masurare redresoarele sincrone efectueaza redresarea tensiunii de masurat in cazul defazajului j=0 si j p, cand se obtine valoarea medie absoluta cu semn plus respectiv minus.

In figura 3.52 se prezinta cateva scheme de redresoare sensibile la faza cu diode si tranzistoare. La schemele cu diode, datorita conditiei de functionare | u_c | > | u_i |, deschiderea diodelor este impusa de tensiunea de comanda u_c, independent de valoarea instantanee a lui u_i.

O caracteristica importanta a detectoarelor sincrone este capacitatea de supraincarcare, exprimata prin factorul de supraincarcare K_S, care este raportul dintre semnalul maxim de intrare pentru raspuns liniar si semnalul nominal de intrare. Supraincarcarea detectorului se produce cand semnalul util slab este insotit de perturbatii de amplitudine mare. Factorul K_S are valori cuprinse intre 3 si 1000.

Intervalul frecventelor de lucru este cuprins intre 1 Hz si 100 KHz.