Circuite pentru extinderea domeniului de tensiune

Circuite pentru extinderea domeniului de tensiune

4.2.1. Rezistorul aditional

Se foloseste pentru extinderea domeniului de masurare la voltmetre analogice. Rezistenta interioara R_V a voltmetrelor analogice reprezinta rezistenta bobinei dispozitivului care in general este mica. De aceea in astfel de cazuri voltmetrul va avea un domeniu mic de tensiune.

Pentru a largi domeniul de masura in serie cu voltmetrul se conecteaza un rezistor aditional.

Daca voltmetrul din fig. 4.8. masoara tensiunea: U₂ = I_VR_V prin inserierea rezistorului R_ad domeniul de masura se extinde la U₁, rezultand raportul de multiplicare al domeniului:

(4.16)

Rezistoarele aditionale au valori mari ale rezistentei. Ele se confectioneaza din conductoare din manganin bobinate pe suport izolator sau rezistente cu pelicula metalica cu coeficient de temperatura mic.

Daca se da raportul de multiplicare al domeniului 121i87b valoarea rezistorului aditional se calculeaza cu relatia:

R_ad = R_v (n - 1) (4.17)

4.2.2. Divizorul de tensiune rezistiv

In cazul in care rezistenta voltmetrului R_V este mare, rezistorul aditional nu-si mai indeplineste rostul. In asemenea situatii, pentru extinderea domeniului de masurare a tensiunii se foloseste divizorul de tensiune.

Considerand valoarea rezistentei R_ext = ¥, raportul de divizare este:

(4.18)

Daca R_ext are valoare finita, atunci raportul de divizare are expresia:

(4.19)

Rezistoarele divizorului se confectioneaza din manganina si au valoarea rezistentei suficient de mare pentru a avea un consum propriu redus.

Un asemenea divizor functioneaza corect in curent continuu si in curent alternativ de frecventa joasa (industriala), la care elementele parazite ale rezistentelor si circuitului exterior sunt neglijabile.

La frecvente mai ridicate se face simtita influenta capacitatilor parazite ale rezistoarelor, care apar conectate in paralel cu acestea. La calculul raportului de divizare se tine seama de prezenta capacitatilor:

(4.20)

Se vede ca raportul de divizare nu mai este constant, depinzand de frecventa. Pentru realizarea compensarii se utilizeaza o capacitate reglabila astfel ca: R₁C₁= R₂C₂ (4.21)

caz in care raportul de divizare nu mai depinde de frecventa. In capacitatile C₁ si C₂ trebuiesc incluse si capacitatile proprii ale rezistoarelor si capacitatile montajului.

Divizorul rezistiv compensat se utilizeaza pana la frecvente de zeci, chiar sute de MHz la osciloscoape, voltmetre de banda larga, etc.

Fig. 4.10. Divizor rezistiv compensat.

4.2.3. Atenuatorul

Atenuatoarele sunt divizoare de tensiune speciale, folosite in aparatele de masurare electronice pentru reducerea semnalului de intrare la o valoare potrivita pentru a putea fi prelucrat de circuitele urmatoare.

Un atenuator trebuie sa indeplineasca doua conditii mai importante:

a) Indiferent de raportul de atenuare ales impedanta de intrare a atenuatorului trebuie sa ramana aceeasi;

b) trebuie satisfacuta conditia de adaptare atat la intrare cat si la iesire, adica rezistenta sa de intrare R_i, sa fie egala cu cea a sursei R_g si cu rezistenta de sarcina R_s.

Daca sunt indeplinite aceste conditii, rezulta ca, mai ales in cazul frecventelor foarte mari (100 MHz 20 GHz) nu apar reflexii pe caile de conexiune.

La proiectarea unui atenuator trebuie sa se cunoasca rezistenta caracteristica a acestuia, R₀:

(4.22)

in care: R_isc - este rezistenta de intrare a atenuatorului cu iesirea in scurtcircuit;

R_i0 - rezistenta de intrare a atenuatorului cu iesirea in gol.

Conditia de adaptare va fi:

R_g = R_i = R_s = R (4.23)

Atenuatoarele se construiesc sub forma unui lant de cuadripoli adaptat, adica inchis pe impedanta caracteristica. Cuadripolii care se folosesc pot fi de tipul T, P sau T podit.

La proiectarea unui cuadripol se dau rezistenta caracteristica R₀ si factorul de atenuare a = U₂/U₁ si se cere sa se determine valorile rezistoarelor cuadripolului.

(4.25)

(4.26)

Atenuatoarele folosite in curent alternativ sunt alcatuite din cuadripoli care au bratele formate din impedante, de obicei rezistente in paralel cu condensatoare. Sunt in asa fel proiectate incat sa fie compensate in frecventa, adica sa aiba un raspuns constant cu frecventa pentru o banda larga de frecventa. Atenuatoarele compensate se folosesc pana la frecvente de 100 - 150 Mhz. Schema unui atenuator compensat in frecventa si de impedanta constanta pe toate domeniile, pentru osciloscopul catodic si pentru voltmetrele electronice, este prezentata in fig. 4.14. C_i, R_i, sunt capacitatea, respectiv rezistenta de intrare a osciloscopului.

4.2.4. Divizorul de tensiune capacitiv

Este folosit pentru masurarea tensiunilor alternative pana la frecvente foarte ridicate (10 100 Mhz). Sunt preferate in special la valori mari ale tensiunilor deoarece nu consuma putere activa.

El se compune in principal din 2 condensatoare, unul C₁ de capacitate mica, conectat in serie cu un condensator C₂ de capacitate mare (fig. 4.15).

Considerand ca rezistenta voltmetrului este foarte mare (R_V ¥), (fig. 4.15.a), raportul de divizare este:

(4.27)

Daca rezistenta voltmetrului conectat la divizor este mai mica, factorul de divizare devine:

(4.28)

Pentru ca raportul de divizare sa fie practic independent de frecventa si de sarcina este necesar ca R_v (sarcina) sa aiba o valoare cu cel putin un ordin de marime mai mare decat reactanta capacitiva a condensatorului C

Daca aparatul de masura are si o capacitate de intrare ea se adauga lui C₂ modificand raportul de divizare cu o valoare constanta . Deoarece capacitatea aparatului este in general mica (<50pF), daca C este suficient de mare eroarea este practic neglijabila.

4.2.5. Divizorul inductiv

Divizoarele inductive sunt cunoscute pentru precizia si marea stabilitate in timp pe care le prezinta. Sunt construite pe principiul autotransformatorului si prin faptul ca la un moment dat, cursorul culege caderea de tensiune pe o fractiune din numarul total de spire infasurate pe miez, divizoarele inductive sunt practic lipsite de erorile in gol proprii transformatoarelor de tensiune.

Divizoarele inductive au impedanta de intrare mare (sute de kiloohmi), data in mare parte de impedanta de magnetizare si o impedanta de iesire mica (de ordinul ohmilor), data in principal de rezistenta conductorului din spirele conectate la iesire. Aceste caracteristici favorizeaza conectarea in cascada a treptelor de divizare realizate cu divizoare inductive.

In cadrul treptelor modificarea raportului de divizare se realizeaza prin modificarea numarului de spire de pe care se culege tensiunea de iesire.

In fig. 4.16 se prezinta schema de principiu a unui divizor inductiv format prin conectarea in cascada a patru celule decadice de divizare.

Fig. 4.16. Divizor inductiv cu 4 decare (U₂/ U₁= 0,2572)

Miezurile sunt toroidale, imbatranite, iar o decada se realizeaza prin bobinarea uniforma a unui manunchi de zece conductoare identice, care apoi se inseriaza.

Divizoarele inductive construite pentru frecvente intre 50 si 2000 Hz au la 1000 Hz erori de 0,1 1 p.p.m. crescand la 10 20 p.p.m. la 10 KHz.

4.2.6. Transformatoare de tensiune

Schema echivalenta a transformatorului de tensiune poate fi usor dedusa pe seama schemei echivalente a transformatorului de curent (fig.4.6) inversand intrarea cu iesirea si este prezentata in fig. 4.17.

Fig. 4.17. Schema echivalenta in T a

transformatorului de tensiune

Fig. 4.18. Modul de conectare al TT

Pe baza schemei se pot scrie urmatoarele relatii: (4.29)

Din relatiile (4.29) se obtine raportul de transformare:

(4.30)

in care:

Z₁, Z₂ sunt impedantele infasurarilor primara, respectiv secundara Z₀ - impedanta de magnetizare

N₁, N₂ - numarul de spire din primar, respectiv secundar

Z_S - impedanta de sarcina.

Deoarece Z₁ si Z₂ sunt mult mai mici decat Z₀ si Z_S, rezulta ca eroarea raportului de transformare este: (4.31) Primul termen reprezinta eroarea de mers in gol, iar urmatorii doi termeni pun in evidenta eroarea in sarcina a transformatorului.

La transformatoarele de tensiune care lucreaza pe impedante de sarcina mari eroarea in gol devine predominanta. Pentru micsorarea impedantei primarului Z₁ si a impedantei de magnetizare Z₀ miezul magnetic trebuie realizat din material de inalta permeabilitate si cu pierderi reduse.

Practic cu dimensiuni rezonabile ale transformatorului, cu material magnetic cu permeabilitate mai mare de 30.000 se pot obtine erori mai mici de 0,01%, la frecvente intre 50 si 1000Hz. La frecvente mai inalte (peste 10 KHz) calitatile miezului magnetic se imbunatatesc si se fac simtite erorile datorate capacitatilor parazite ale infasurarilor. Ca si la transformatorul de curent micsorarea erorilor raportului de transformare se poate realiza prin compensare electronica a erorilor.