Випрямляючі прилади (амперметри і вольтметри)

Магнітоелектричні прилади характеризуються високою чут­ливістю, високою точністю й малим споживанням потужності. Проте вони придатні тільки для вимірювань у колах постій­ного струму. Для того щоб використати магнітоелектричні вимірювальні механізми для вимірювань на змінному струмі, треба спочатку перетворити змінний струм у постійний.

Як перетворювачі змінного струму в постійний значного поширення набули напівпровідникові випрямлячі. Випрям­ний прилад являє собою поєднання магнітоелектричного ви­мірювального механізму з випрямлячем на напівпровідни­кових діодах. У випрямлячах застосовуються діоди з герма­нію або кремнію.

Опір напівпровідникового діода залежить від полярності прикладеної напруги. При напрузі однієї полярності опір діода малий, а при напрузі протилежної полярності різко зро­стає. Відповідно в першому випадку опір діода називають прямим, а в другому — зворотним. Якщо до діода прикласти змінну напругу, то практично він пропускатиме струм тільки в одному напрямі.

Звичайно в приладах використовують випрямлячі двох типів — одно- та двопівперіодні. На рис. 1, а подано схему приладу з однопівперіодним випрямлянням, яка використо­вується для вимірювання струму . Через вимірювальний механізм, ввімкнений послідовно з діодом , проходять півхвилі змінного струму однієї полярності (рис. 1, б), півхвилі другої полярності (зворотні півхвилі) проходять через діод . Діод захищає діод від пробою й замикає коло струму при зворотній півхвилі. Опір резистора беруть таким, що дорівнює опору вимірювального механізму. Завдяки цьому опір приладу буде однаковим для будь-якого напряму струму.

Рис. 1. Схема вмикання і часові діаграми струмів вимірювального

механізму з однопівперіодним випрямлячем

В двопівперіодних схемах випрямлений струм прохо­дить через вимірювальний механізм в обидві половини періо­ду. На рис. 2 наведено чотири найбільш поширені схеми двопівперіодного випрямляння.

Рис. 2. Двонапівперіодні схеми вмикання вимірювального механізму

з випрямлячами

а – трансформаторна; б – мостова; в, г – мостові із заміною двох діодів резисторами

В схемі на рис. 2, а діоди ввімкнено у вторинне коло трансформатора так, що струм через вимірювальний механізм протягом будь-якого півперіоду завжди проходить в одному напрямі. Трансформатор дає змогу електрично ізолювати коло вимірювального механізму від кола вимірюваних змінного струму або напруги. Недоліком схеми є залежність коефі­цієнта трансформації трансформатора від частоти.

В симетричній мостовій схемі на рис. 2, б чотири діоди утворюють плечі моста, в діагональ якого ввімкнено вимірю­вальний механізм. Струм увесь час проходить через вимірю­вальний механізм в одному напрямі, а значення струму в мосто­вій схемі порівняно із значенням струму в однопівперіодній схемі збільшується вдвоє.

Іноді в мостовій схемі два діоди замінюють резисторами, опір яких дорівнює прямому опору діодів (рис. 2, в і г). Перевага цих схем полягає в меншій кількості діодів. Оскіль­ки і прямий, і зворотний опір діодів дуже залежить від темпера­тури, при заміні діодів резисторами зменшується температур­на похибка приладів. Крім того, схема на рис. 2, г більш зручна для вимірювання великих струмів, оскільки резистори у цьому випадку відіграють роль шунтів. Недоліком схем на рис. 2, в і г є потреба в більш чутливому вимірювальному механізмі, оскільки в нього відгалужується лише частина (30—40 %) випрямленого струму (рис. 2, в) або частина змінного струму взагалі не випрямляється (рис. 2, г).

Миттєве значення обертального моменту, який діє на рухо­му рамку вимірювального механізму магнітоелектричної си­стеми дорівнює (див. § 5.2):

, де — миттєве значення струму, що проходить через вимірю­вальний механізм.

Через інерцію рухомої частини її відхилення буде пропор­ційне середньому значенню обертального моменту. Якщо струм , то для схеми з однопівперіодним випрямлян­ням середній за період обертальний момент дорівнює:

де — середньовипрямлене значення синусоїдного струму:

Кут повороту рухомої частини

Для схеми з двопівперіодним випрямлянням значення і збільшуються вдвоє.

На шкали приладів наносять діючі значення змінного струму (напруги). Врахувавши, що діюче значення струму пов'язане із середнім випрямленим рівністю , де — коефіцієнт форми кривої, дістанемо кут повороту рухомої частини для двопівперіодної схеми випрямлення:

Випрямні прилади градуюють при синусоїдному струмі (для синусоїди ). Відмінність форми кривої вимірю­ваного струму (напруги) від синусоїди в показах приладів спричинює похибку.

Для розширення меж вимірювання випрямних приладів за струмом і напругою використовують відповідно шунти й додаткові резистори, як і у звичайних магнітоелектричних приладів.

При зміні температури змінюється опір діодів, внаслідок чого виникає температурна похибка. Для її зменшення засто­совують різні схеми температурної компенсації.

Напівпровідникові діоди мають ємність. При підвищених частотах частина змінного струму проходить через цю ємність, що призводить до зменшення показів приладу. Для компенса­ції частотної похибки використовують конденсатори, які вми­кають паралельно додатковим резисторам. При цьому загаль­ний струм, який надходить у випрямну схему, зростає з під­вищенням частоти, що компенсує зменшення випрямленого струму у вимірювальному механізмі.

Промисловість випускає багатограничні випрямні ампер­вольтметри показуючі й самописні, а також випрямні фазо­метри й самописні частотоміри.

Позитивними якостями випрямних приладів є висока чут­ливість (найменші границі вимірювання змінних струмів і напруг відповідно 0,25-0,3 мА і 0,25-0,3 В), мале власне споживання потужності, широкий частотний діапазон (до 10— 20 кГц).

Недоліки приладів — невисока точність (класи точності 1,0—2,5) і залежність показів від форми кривої вимірюваної величини.