Reductoare de tensiune

Au rolul de a micsora tensiunile la valori compatibile cu cele de intrare ale aparatelor de masurat (AM) sau a amplificatoarelor din AM. Acestea pot fi divizoare sau transformatoare de tensiune.

1. Divizoare de tensiune

Din punct de vedere constructiv, divizoare de tensiune depind de felul tensiunii utilizate (continue sau alternative).

1.1. Divizoare pentru tensiuni continue

Acestea se intalnesc ca divizoare rezistive formate din rezistente bobinate, ce pot atinge precizii foarte inalte, sau cel mai adesea, ca rezistente de precizie cu pelicula metalica. Precizia acestora este mult mai modesta (0,1-0,5%), dar suficient de buna pentru practica instrumentatiei electronice.

a) Divizoare fixe

Schema de principiu este data in fig.3.1, in care R_s reprezinta rezistenta de sarcina a divizorului (poate fi rezistenta de intrare a amplificatorului sau a voltmetrului conectat la iesirea divizorului).

Raportul de divizare (m) este dat de relatia:

; p=, (3.1)

care pentru:

R_s >> R₂ ; (R_s 10³ R₂ ),    (3.2)

devine:

. (3.3)

Precizia. Din relatia (3.3) se deduce :

, (3.4)

care arata ca eroarea de baza a divizorului poate atinge cel mult suma erorilor rezistoarelor componente.

b) Divizoare reglabile

Divizoare reglabile obisnuite. Se construiesc din rezistente cu pelicula metalica, utilizate la prescrierea gamelor de tensiune la voltmetrele electronice de c.c. (cu precizie de 0,1-0,5%) sau din rezistente bobinate, folosite la intrarea voltmetrelor numerice de inalta precizie (precizia este mai buna de 0,05%).

Raportul de divizare (vezi fig.3.2) este dat de relatia:

(3.5)

Divizoare reglabile speciale. Sunt dispozitive de inalta precizie cu utilizare mai restransa.

a) Divizorul cu autocalibrare

Are ca particularitate faptul ca una dintre componente este de inalta precizie, servind si la verificarea cu precizie (prin comparatie) a celorlalte rezistente ale divizorului. O alta particularitate o constituie prezenta grupurilor de rezistente cu valori nominale egale.

Autocalibrarea. Fie, de exemplu, divizorul din fig.3.3, unde rezistenta r₁=1kW, de inalta precizie, serveste ca etalon pentru verificarea rezistentelor r₂ . r₅. Dupa aceea, cu grupul de rezistente r₁ r₅=5kW, luat ca etalon, se verifica rezistenta r₆ (5kW) si asa mai departe pana la verificarea intregului divizor. Acest tip de divizor prezinta avantajul ca pentru verificarea preciziei, nu necesita nici un etalon exterior, ci numai un dispozitiv auxiliar de comparare (punte, compensator). Divizoarele cu autocalibrare se utilizeaza, mai ales, la extinderea limitei superioare de

masura la compensatoarele de c.c. Precizia tipica este de 0,001%.

b) Divizorul Kelvin-Varley (fig.3.4).

Are avantajul ca permite reglarea tensiunii cu mentinerea constanta a rezistentei de intrare, cu un numar mult mai mic de rezistente, avantaj obtinut datorita utilizarii decadelor in serie.

Principiul de functionare. Fiecare decada este alcatuita din 11 rezistente identice care     sunteaza doua rezistente ale decadei precedente. Rezistenta unei decade este astfel aleasa incat sa fie egala cu doua rezistente ale decadei precedente, adica:

10R 2R 10R 2R 10R 2R , etc..    (3.6)

In felul acesta rezistenta echivalenta a celor doua rezistente R suntate de catre decada 11R₂ devine egala cu R₁ si deci rezistenta de intrare a divizorului este de 10R₁. La fel se petrec lucrurile si cu cele doua rezistente R₂ suntate de catre decada 11R₃, precum si de cele doua rezistente R₃ suntate de catre decada 10R₄. Aceasta din urma, nemaifiind suntata decat de rezistenta R_s - care trebuie sa indeplineasca conditia R_s >> 10R₄, similara cu (3.2) - are numai 10 componente. Prin urmare, oricare ar fi pozitia comutatoarelor K₁.K₄, rezistenta de intrare a divizorului ramane riguros constanta si egala cu 10R₁.

Precizia divizoarelor Kelvin-Varley este foarte buna, iar rezolutia depinde de numarul decadelor, in cazul din fig.3.4 fiind 10^-4R₁ (V).

Divizoarele Kelvin-Varley se utilizeaza la alcatuirea dispozitivu-lui de reglare a tensiunii din compensatoarele Poggendorf si de la standardele de tensiune, precum si ca dispozitiv independent, foarte util la etalonarea si verificarea voltmetrelor de precizie.

1.2. Divizoare pentru tensiuni alternative

Fata de cele de curent continuu, acestea trebuie sa indeplineasca in plus conditia de banda de frecventa. Aceste divizoare pot fi capacitive, inductive sau RC compensate in frecventa.

a) Divizoare capacitive (fig.3.5)

Raportul de divizare, la aceste divizoare este dat de relatia:

, (3.7)

care arata ca este independent de frecventa, insa atat impedanta de intrare cat si cea de iesire sunt dependente de frecventa.

Aceste divizoare sunt utilizate in general la masurarea tensiunilor

inalte (kV-zeci de kV) intr-un larg domeniu de frecvente (50Hz- 50MHz). In acest scop, divizorul se construieste in varianta coaxiala (fig.3.5, b), cu dielectric aer sau vid.

Precizia unor astfel de divizoare nu este mai buna ca 0,2-0,5%.

b) Divizoare inductive (fig.3.6)

Principiul de functionare al acestor divizoare este cel al autotransformatorului coborator, iar raportul de divizare este dat de

relatia:

, (3.8)

in care n₁ reprezinta numarul total de spire.

Sunt divizoare de inalta precizie si se construiesc atat ca divizoare fixe cat si reglabile, similare cu cele rezistive (simple si Kevin-Varley). Aceste divizoare pot functiona la frecvente de cel mult sute de KHz si se utilizeaza la masuratori de precizie in AF.

c) Divizoare RC compensate in frecventa

c₁) Necesitatea compensarii in frecventa

Cand frecventele sunt de peste zeci de KHz, raportul de divizare al unui dispozitiv rezistiv este influentat de frecventa din cauza capacitatii proprii (C_p) a aparatului conectat la iesire. Pentru evitarea acestei influentei se sunteaza cele doua rezistente ale divizorului, cu capacitati adecvate (fig.3.7).

Raportul de divizare este dat de relatia:

. (3.9)

Din aceasta relatie rezulta ca m nu depinde de frecventa, daca este indeplinita conditia:

R₁C₁=R₂C₂ (3.10)

Controlul compensarii in frecventa. Controlul indeplinirii conditiei (3.10) se face experimental. Se aplica la intrarea divizorului un semnal dreptunghiular (fig.3.8, a) si se controleaza raspunsul (U₂) pe un osciloscop catodic, iar raspunsul poate avea formele: din fig.3.8, b, cand C₁ este prea mare; din fig.3.8, c, cand C₁ este prea mic, sau din fig.3.8, d     cand R₁C₁= R₂C₂.

Explicatie: Daca C₁ este prea mare, divizorul (fig.3.7) se transforma intr-un circuit trece-sus (derivator), deci semnalul va fi ascutit (fig.3.8, b), iar daca C₁ este prea mic circuitul devine trece-jos (integrator) si deci semnalul va fi rotunjit (fig.3.8, c). Numai daca este indeplinita conditia (3.10) semnalul trece nedeformat (fig.3.8, d).

Domenii de utilizare Divizoarele RC compensate in frecventa se utilizeaza la intrarea aparatelor de masurat de c.a. (voltmetre electronice, osciloscoape, etc.), precum si la sondele reductoare de capacitate utilizate la osciloscoapele catodice.

c₂) Divizoare RC reglabile

Se utilizeaza la prescrierea gamelor de tensiune la voltmetre electronice si osciloscoapele catodice. Au o precizie de 0,1-0,3%.

Un dezavantaj la proiectarea unui asemenea divizor consta in alegerea celei mai potrivite scheme sub raportul performanta/cost, dar care sa fie si realizabila tehnologic. Schema din fig.3.9, desi este cea mai simpla, nu este realizabila tehnologic, deoarece numai un singur condensator (C₄) poate avea valoare fixa, toti ceilalti trebuie sa fie reglabili, iar valorile lor pot deveni exagerat de mari, imposibil de realizat in practica.

Vom analiza in continuare schemele divizoarelor cu celule separate si cu sectiuni in serie.

Divizor cu celule separate (fig.3.10.). Are schema cea mai convenabila din punct de vedere tehnologic, deoarece permite reglajul compensarii in frecventa, separat pentru fiecare raport de divizare. Aceasta schema necesita insa un numar dublu de rezistente de precizie fata de schema din fig.3.9. Se utilizeaza la osciloscoapele catodice pentru tehnica impulsurilor, unde cerintele fata de decompensarea in frecventa sunt deosebit de severe.

Divizor cu sectiuni in serie (fig.3.11). Permite reducerea la jumatate a numarului componentelor, dar reglajul compensarii in frecventa este mai dificil (cele doua sectiuni se influenteaza reciproc), iar comutatorul este mai complicat si mai scump. Cu toate acestea, se utilizeaza frecvent la osciloscoapele catodice si la voltmetre electronice de c.a.

In fig. 3.11 se prezinta un divizor cu 9 trepte, in secventa (utilizat la osciloscoapele catodice), care functioneaza in felul urmator: prima sectiune, pusa in joc de catre galetii K₁ si K₂ ai comutatorului de game, furnizeaza rapoartele de divizare 1/1, 1/10 si 1/100; acestea sunt repetate fiecare pe cate trei pozitii succesive. A doua

sectiune utilizeaza galetii K₃ si K₄ si furnizeaza rapoartele 1/1, 1/2 si 1/5.

Valorile componentelor trecute pe schema au fost calculate pentru rezistenta de intrare de l MΩ si 10 pF pentru trimerii reglabili (3 - 30 pF).

Se observa ca, pentru cele 9 trepte de divizare sunt necesare doar opt rezistente de precizie in timp ce la divizorul din fig. 3.10 ar fi fost necesare 16 asemenea rezistente; in schimb la divizorul serie sunt necesare 36 de contacte de intrerupator (parametru de fiabilitate), iar la cel din fig. 3.10 numai 18.

Observatie. In literatura de specialitate, mai ales in cea de limba engleza, divizoarele de tensiune sunt denumite atenuatoare.

2. Transformatoare de tensiune

Se folosesc ca reductoare de tensiune pentru conectarea voltmetrelor de tablou, precum si a bobinelor de tensiune ale wattmetrelor si contoarelor de energie. Tensiunea primara nominala este standardizata in seria: 1, 3, 10, 15, 30kV, iar cea secundara este intotdeauna 100V.

Acestea au si rolul de a izola electric aparatele de masura in raport cu tensiunea inalta si deci de a proteja operatorul. O borna a voltmetrului se leaga, obligatoriu, la pamant.

Schema de principiu este data in fig.3.12, unde M reprezinta miezul magnetic, - fluxul magnetic creat de infasurarea primara, V - voltmetru gradat direct in valori ale lui U_x, iar n₁ si n₂ - numerele de spire ale celor doua infasurari.

Atunci cand voltmetrul consuma un curent mic (2-10mA), transformatorul de tensiune (TT) lucreaza practic in gol.

Folosind schema din figura fig.3.12, se pot scrie urmatoarele relatii:

; ; (3.11-3.12)

,

cu ajutorul carora se construieste diagrama fazoriala din fig.3.13.

Din cauza ca U₂, nu este exact in antifaza cu U_x apare eroarea _u numita eroare de unghi. Iar din cauza ca I₁, si I₂, nu sunt nuli, ecuatia de functionare a TT se scrie cu aproximatia I₁ = I₂ = 0, adica:

= ,

datorita careia apare eroarea de raport ( _u

Transformatoarele de tensiune se construiesc in clasele de precizie 0,02.3. Eroarea de raport ( _u este cel mult egala cu indicele de clasa, iar eroarea de unghi _u minut) la cele din clasele 0,02 si 0,05 si _u la celelalte pana la clasa