Voltmetre electronice de c.a.

Voltmetre electronice de c.a.

Schema bloc, functionala a unui astfel de voltmetru este prezentata in Fig.5.8.

Fig.5.8. Schema bloc a unui voltmetru electronic de c.a.

AT- alternator de intrare; ACA- amplificator de c.a.

A/C- convertor c.a.-c.c.;    F+ACC- filtru + amplificator de c.c.

VME- voltmetru magnetoelectric

Dupa caracterul conversiei c.a.-c.c. se deosebesc trei tipuri de voltmetre electronice: de valori medii, de valori de varf si de valori efective

1. Convertoare de valori medii (redresoare de precizii)

Constau din combinatii de AO cu circuite de redresare monoalternanta sau bialternanta. Asocierea AO, avand factor de amplificare mare in bucla deschisa, cu diode redresoare elimina unele neajusuri ale schemelor de redresare simple cum ar fi: neliniaritatea diodelor la semnale mici si dependenta caracteristici diodei de temperatura.

Schema unui redresor de precizie monoalternanta este prezentata in Fig.5.9.

Fig.5.9. Convertor de valori medii monoalternanta

Consideram ca la intrarea convertorului se aplica tensiunea sinusoidala:

u_i(t)=U_im sin wt (5.10)

In semialternanta pozitiva a tensiunii de intrare :

u_i(t) > 0; u'_e(t) < 0; D₁-conduce ; D₂-blocata;

u_e(t) = 0

In semialternanta negativa a tensiunii de intrare:

u_i(t) < 0; u'_e(t) > 0; D₁-blocata ; D₂-conduce;

u_e(t) = -R₂/R₁*u_i(t) (5.11)

Ca urmare expresia generala a tensiunii de iesire, in functie de tensiunea de intrare este:

(5.12)

Formele de unde ale tensiunilor de la intrarea si de la iesirea convertorului sunt prezentate in Fig.5.10.

Fig.5.10. Formele de unde ale tensiunilor de intrare si de iesire

Prin conectarea la iesire a unui voltmetru magnetoelectric VME, acesta mediaza tensiunea u_e(t), deviatia sa fiind proportionala cu valoarea medie U_emed:

(5.13)

Fig.5.11. Convertor de valori medii bialternanta

Schema unui redresor de precizie bialternanta si formele de unde ale tensiunilor de la intrarea si de la iesirea convertorului sunt prezentate in Fig.5.11 si respectiv Fig.5.12.

In semialternanta pozitiva a tensiunii de intrare u_i(t) > 0; u_e(t)<0; D₁- blocata; D₂ - conduce si u_A(t) = -R/R*u_i(t) = - u_i(t)

Tensiunea de iesire este:

(5.14)

Fig.5.12. Formele de unde ale tensiunilor de intrare si de iesire

In semialtrnanta negativa a tensiunii de intrare:

u_i(t)<0; u_e(t)>0; D₁- conduce; D₂ - blocata si u_A(t)=0; i₂=0;

Tensiunea la iesire devine :

u_e(t)=-iR=-i₁R=-u_i(t)/R*R=-u_i(t) (5.15)

2. Convertoare de valori de varf

Schemele de principiu ale unor astfel de convertoare sunt prezentate in Fig.5.13. Aceste convertoare au la intrare un circuit format dintr-o dioda si un condensator numit detector de varf .

Consideram ca la intrare se aplica o tensiune sinusoidala:

u_i(t) = U_im sinωt (5.16)

Fig.5.13. Convertoare de valori de varf

Considerand schema din Fig.5.13.a, in timpul semialternantei pozitive a tensiunii de intrare, dioda D conduce si capacitatea C se incarca rapid cu polaritatea din figura. Constanta de timp la incarcare t_i = R_DC, este determinata de rezistenta in conductie a diodei R_D. In semialternanta negativa dioda D este blocata si capacitatea C se descarca lent pe rezistenta de intrare R_i a amplificatorului de curent continuu ACC. Constanta de timp la descarcare este t_d = R_IC >> τ_i, deoarece R_i>>R_D. Tensiunea u_c(t) care se aplica la intrarea ACC variaza ca in Fig.5.14.

Fig.5.14. Graficul tensiunilor de la intrarea si respectiv iesirea convertorului

Pentru τ_i=R_DC<<T=2π/ω, incarcarea capacitatii C la valoarea maxima a tensiunii de intrare +U_im se poate face chiar in prima perioada. La frecvente mai inalte ale tensiunii de intrare incarcarea capacitatii la valoarea +U_im, poate dura mai multe perioade. Daca τ_d=R_iC>>T, descarcarea capacitatii este foarte redusa si practic tensiunea u_c(t) ramane egala cu +U_im.

Schema din Fig.5.13.b, functioneaza asemanator, avand avantajul ca asigura blocarea eventualei componente continue care ar putea fi suprapusa peste tensiunea alternativa. Din acest motiv este mai frecvent utilizata. Intrucat la intrarea amplificatorului de cc se aplica atat componenta alternativa cat si componenta continua a tensiunii de intrare, acest convertor mai trebuie prevazut cu un filtru trece-jos montat inaintea amplificatorului.

Grupul de detectie alcatuit din diode D si capacitate C sunt plasate intr-o sonda si pot fi aplicate direct la punctul de masura, scurtandu-se legaturile in curent alternativ. Se obtine avantajul, reduceri capacitatii parazite a firelor de legatura, putandu-se efectua masurari pana la frecvente foarte inalte (zeci si sute de MHz).

Principalele dezavantaje ale convertoarelor de valori de varf prezentate sunt:

apar erori in cazul masurarii unor tensiuni mici datorita neliniaritatii caracteristicii diodei;

apar erori in cazul masurarii unor tensiuni nesinusoidale, datorita faptului ca gradarea scarii aparatelor indicatoare se face in valori efective tinandu-se seama de relatia: , relatie valabila numai in regim sinusoidal;

apar indicatii diferite ale aparatelor indicatoare la inversarea conexiunilor, daca tensiunea de masurat are o forma de unda nesimetrica; Pentru inlaturarea acestui neajuns se folosesc detectoare varf la varf care permit masurarea diferentei dintre valoarea maxima pozitiva si valoarea maxima negativa.

Fig.5.15. Detector varf la varf

In semialternanta negativa a tensiunii de intrare, dioda D₁ conduce si C₁ se incarca cu polaritatea din figura, la valoarea . In semialternanta pozitiva, dioda D₁ este blocata iar dioda D₂ conduce, la bornele condensatorului C₂ aplicandu-se tensiunea de pe C₁ plus tensiunea de intrare in aceasta semialternanta, adica:

(5.17)

Dupa un anumit timp, determinat de constantele de timp de incarcare ale condensatoarelor, tensiunea de iesire devine:

=U_vv (5.18)

Pe langa avantajul eliminarii erorilor in cazul formelor de unda nesimetrice, acest detector mai prezinta si avantajul unei cresteri a sensibilitatii fata de detectia simpla (dublarea sensibilitatii, intrucat U_vv = 2U_m).

3. Convertoare de valori efective

Valoarea cea mai reprezentativa pentru un semnal alternativ este valoarea efectiva care contine si informatie referitoare la puterea asociata semnalului respectiv.

Numai pentru semnalele la care sunt cunoscuti factorul de forma K_f si factorul de varf K_v (cum sunt semnalele sinusoidale K_f=U_ef/U_med, K_v=U_max/U_ef), se pot stabili relatii intre valoarea efectiva si valoarea medie respectiv valoarea de varf.

Valoarea efectiva a unei tensiuni periodice este data de relatia:

(5.19)

unde u(t) este valoarea momentana (instantanee) iar T este perioada. Rezulta ca operatiile de calcul pe care trebuie sa le efectueze circuitele electronice ale convertorului constau dintr-o ridicare la patrat, o mediere si apoi o extragere de radical.

Principial, aceste operatii pot fi implementate prin schema din Fig.5.16. Elementul principal al unui astfel de convertor il constituie multiplicatorul electronic.

Fig.5.16. Convertor de valori efective cu circuite de calcul analogice

Dupa principiul de functionare, multiplicatoarele se clasifica in:

multiplicatoare cu transconductanta variabila;

multiplicatoare cu sumare logaritmica;

multiplicatoare cu efect Hall

multiplicatoare cu modulare in amplitudine si durata.

Schema bloc simplificata a unui multiplicator electronic este prezentata in Fig.5.17 iar ecuatia de functionare este de forma:

u_iesire = ku_xu_y (5.20)

unde u_x si u_y sunt tensiunile aplicate la intrare, iar k este factorul de scara.

Fig.5.17. Multiplicatoare electronice: a) simple; b) cu divizor

Daca tensiunile u_x si u_y sunt atat pozitive cat si negative (cum e in regim sinusoidal), multiplicatorul functioneaza in 4 cadrane, iar daca numai una poate fi de ambele polaritati, multiplicatorul este in 2 cadrane. Multiplicatoarele produse in prezent sunt de regula in 4 cadrane si permit si divizarea (Fig.5.17.b), adica functioneaza dupa o relatie de forma:

(5.21)

Multiplicatoarele analogice sunt utilizate in circuitele de calcul analogic, in circuitele de modulare/demodulare, watmetre si contoare electronice, e.t.c. In Fig.5.18 sunt prezentate 3 scheme bloc de calcul analogic, utilizand multiplicatoare.

Fig.5.18. Circuite de calcul analogic cu multiplicatoare: a)-ridicare la patrat; b)-divizare; c)-extractor de radical

Ridicarea la patrat se realizeaza daca intrarile V_x si V_y ale multiplicatorului sunt conectate impreuna.

Operatia de divizare (impartire) a doua tensiuni este realizata de circuitul din Fig.5.18.b. Astfel, se observa ca tensiunea fata de masa a punctului A este:

V_A=R₂I=-R₂/R₁V_x (5.22)

Totodata V_A este si tensiunea la iesirea multiplicatorului ce are la cele doua intrarari tensiunile V_y si respectiv V₀. Deci:

V_A=kV_yV₀ (5.23)

Din cele doua relatii rezulta:

(5.24)

Operatia de extragere a radacinii patrate este realizata de circuitul din Fig.5.18.c. Se observa ca tensiunea la iesirea multiplicatorului este:

V_A=R₂I=-R₂/R₁V_x=kV₀² (5.25)

(5.26)

unde se impune ca V_x<

Multiplicatorul X₁ din Fig.5.16 realizeaza ridicarea la patrat a tensiunii de intrare. Amplificatorul A₁ impreuna cu elementele din reactie formeaza un filtru trece-jos ce mediaza tensiunea aplicata la intrare. Astfel pentru:

(5.22)

rezulta:

(5.23)

(5.24)

unde k₂=(T/R₁C₁)k₁

Amplificatorul A₂ avand in reactie multiplicatorul X₂ realizeaza functia de extractor de radical:

(5.25)

Alte tipuri de convertoare de valori efective sunt cele cu dispozitive electrotermice (Fig.5.19). Acestea sunt realizate din doua termoelemente in montaj diferential, functionand pe principiul sistemelor de urmarire. Primul termoelement este incalzit de un curent efectiv proportional cu valoarea efectiva a tensiunii de intrare, iar prin al doilea trece un curent generat de un amplificator diferential A₂, la intrarea caruia se aplica semnalele de la iesirea termoelementelor. Tensiunea diferentiala de la intrarea amplificatorului A₂ este zero (foarte mica) intrucat A₂ este in bucla deschisa, ca urmare tensiunile continue de la iesirea termoelementelor vor fi egale. Deci tensiunea continua de la iesirea termoelementului doi urmareste variatiile tensiunii de la iesirea termoelementului unu. Admitand ca cele doua termoelemente sunt identice rezulta ca tensiunea de iesire este egala cu valoarea efectiva a tensiunii de intrare indiferent de forma si de frecventa acesteia.

u_e(t)=U_ief (5.26)

Dezavantajul acestei scheme il constituie tensiunea relativ mica la iesirea termoelementelor, care in acest caz sunt termocupluri, ceea ce reclama ca amplificatorul A₂ sa aiba deriva termica foarte mica. Acest dezavantaj este inlaturat daca drept termoelemente sunt folosite ansambluri constituite din rezistente de incalzire si tranzistoare, a caror sensibilitate ajunge la 2mV/ C, fata de 40mV/ C in cazul termocuplurilor.

Fig.5.19. Convertor de valori efective cu dispozitive electrotermice