Для измерений подходит напряжение переменного. Измерение переменных напряжений

Б. Григорьев (СССР)

Важнейшая характеристика переменного напряжения (тока)-его среднеквадратическое* значение (СКЗ). Знать истинное СКЗ необходимо при определении мощности или энергетических соотношений в цепях переменного тока, измерении шумовых характеристик устройств и коэффициентов гармонических или интермодуляционных искажений, налаживании тиристорных регуляторов мощности. Сочетание «истинное СКЗ» было употреблено здесь не случайно. Дело в том, что измерить СКЗ сложно, поэтому вольтметрами (самостоятельными или включенными в состав мультиметров) обычно измеряют либо среднее выпрямленное, либо пиковое значение переменного напряжения. Для напряжения синусоидальной формы, а оно чаще других встречается в практике измерений, есть однозначная связь между этими тремя значениями СКЗ: пиковое в 1,41 раза больше, чем СКЗ, а среднее выпрямленное в 1,11 раза меньше его. Поэтому вольтметры широкого применения практически всегда откалиброваны в СКЗ независимо от того, что на самом деле регистрирует данный прибор. Следовательно, при измерении СКЗ переменных напряжений, форма которых заметно отличается от синусоидальной, пользоваться этими вольтметрами в общем случае нельзя, однако для периодических сигналов несложной формы (меандр, треугольник и т. п.) можно вычислить поправочные коэффициенты. Но этот способ неприемлем для наиболее важных в практике измерений (в частности, и тех, что упоминались выше). Здесь на помощь может прийти только , регистрирующий истинные СКЗ переменного напряжения.

Длительное время для измерения СКЗ использовались методы, основанные на преобразовании переменного напряжения в постоянное с помощью термоэлектронных приборов. В модернизированной форме эти методы применяются и сейчас. Однако все более широкое распространение получает измерительная аппаратура, представляющая собой специализированные аналоговые вычислительные устройства. По той или иной математической модели они обрабатывают исходный сигнал так, чтобы продуктом обработки было его СКЗ. Этот путь, даже с учетом успехов микроэлектроники, неизбежно ведет к усложнению аппаратуры , что неприемлемо для радиолюбительской практики, поскольку измерительный прибор становится сложней устройств, для налаживания которых он необходим.

Если не выдвигать требование, чтобы СКЗ был прямопоказываю- щим (а это важно, в первую очередь, для массовых измерений), то возможно создание очень простого в изготовлении и налаживании прибора. Метод измерения СКЗ основан в нем на усилении напряжения до уровня, при котором начинает светиться обыкновенная лампочка накаливания. Яркость свечения (ее регистрируют фоторезистором) лампочки однозначно связана с СКЗ приложенного к ней переменного напряжения. Чтобы исключить нелинейность преобразователя переменное напряжение - резистора, целесообразно использовать лишь для регистрации определенной яркости свечения лампочки, устанавливаемой при калибровке прибора. Тогда измерения СКЗ сводятся к регулировке коэффициента передачи предварительного усилителя так, чтобы лампочка светилась с заданной яркостью. Среднее квадратическое значение измеряемого напряжения считывают по шкале переменного резистора.

четании с диодами VD1 и VD2 обеспечивают защиту микроамперметра при значительном разбалансе моста. Этот же микроамперметр с помощью переключателя SA1 можно подключить к выходу усилителя для его балансировки по постоянному току.

Измеряемое напряжение поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1. Следует заметить, что если исключить разделительный СI, то на вход прибора можно будет подавать переменное напряжение с постоянной составляющей. И в этом случае показания прибора будут соответствовать истинному СКЗ суммарного (постоянное + переменное) напряжения.

Теперь о некоторых особенностях рассматриваемого вольтметра и о выборе элементов для него. Главным элементом прибора является оптрон VL1. Разумеется, очень удобно использовать готовый стандартный прибор, но аналог оптрона можно изготовить и самостоятельно. Для этого необходимы лампочка накаливания и , которые помещают в корпус, исключающий попадание на внешнего света. Кроме того, желательно с^еспечить минимальную передачу тепла от лампочки к фоторезистору (его и от температуры). Наиболее жесткие требования предъявляются к лампочке накаливания. Яркость ее свечения при СКЗ напряжения на ней около 1,5 В должна быть достаточной, чтобы вывести в рабочую точку, соответствующую балансу моста. Такое ограничение обусловлено тем, что прибор должен иметь хороший пик-фактор (отношение максимально допустимого амплитудного значения измеряемого напряжения к среднему квадратическому). При небольшом пик-факторе прибор может не зарегистрировать отдельные выбросы напряжения и занизить тем самым его СКЗ. При значениях элементов моста, данных на схеме рис. 1, СКЗ напряжения на оптроне , выводящие его в рабочую точку ( около 10 кОм), будет примерно 1,4 В. Максимальная амплитуда выходного напряжения (до начала ограничения) в данном приборе не превышает 11 В, поэтому его пик-фактор будет около 18 дБ. Это значение вполне приемлемо для большинства измерений, но при необходимости его можно несколько увеличить, повысив напряжение питания усилителя.

Еще одно ограничение на лампочку накаливания - ее ток в рабочей точке не должен превышать 10 мА. В противном случае необходим более мощный эмиттер- ный повторитель, так как он должен обеспечивать пиковый ток. примерно в 10 раз больший, чем ток, потребляемый лампочкой накаливания в рабочей точке.

К фоторезистору самодельного оптрона особых требований не предъявляется, но если у радиолюбителя есть возможность выбора, то желательно найти экземпляр, который имеет необходимое в рабочей точке при меньшей освещенности. Это позволит реализовать больший пик-фактор прибора.

Выбор ОУ однозначно определяет комбинацию двух параметров: чувствительность и полосу пропускания. Амплитудно- (АЧХ) операционного усилителя К140УД8 приведена на рис. 2 (она типична для многих ОУ с внутренней коррекцией). Как видно из АЧХ, для того чтобы обеспечить измерения СКЗ напряжения в полосе частот до 20 кГц, максимальный (при верхнем по схеме рис. 1 положении движка переменного резистора R3) коэффициент усиления не должен в данном случае превышать нескольких десятков. Это подтверждает и нормированная АЧХ прибора, которая приведена на рис. 3.

Кривые 1-3 соответствуют трем положениям движка переменного резистора R3: верхнему, среднему и нижнему.

При этих измерениях усилителя (соответствует кривой 1) был около 150, что соответствует пределам измерения СКЗ от 10 до 100 мВ. Видно, что спад АЧХ на частотах выше 10 кГц в данном случае становится уже весьма существенным. Для уменьшения спада АЧХ возможны два способа. Во-первых, можно уменьшить (подбором резисторов R4 и R5) усилителя до 15…20. Это на порядок снизит чувствительность прибора (что можно легко компенсировать предварительными усилителями), но тогда и в худшем случае его АЧХ не будет идти ниже кривой 3 на рис. 3. Во-вторых, можно заменить на другой, более широкополосный (например, на К574УД1, ), что позволит реализовать при полосе пропускания усилителя 20 кГц высокую чувствительность прибора. Так, для К574УД1 усилителя при такой полосе пропускания может быть уже около нескольких сотен.

К остальным элементам прибора особых требований не предъявляется. Отметим лишь, что максимально допустимое рабочее напряжение для транзисторов VT1 и VT2, а также для фоторезистора должно быть не менее 30 В. Впрочем, для фоторезистора оно может быть и меньше, но тогда на мост следует подать пониженное напряжение и подобрать (при необходимости) резисторы R14 и R15.

Перед первым включением вольтметра движок резистора R6 устанавливают в среднее положение, резистора R3 в нижнее, а резистора R5 в крайнее правое по схеме положение. Переключатель SA1 переводят в левое-по схеме положение, а с помощью переменного резистора R6 устанавливают стрелку микроамперметра РА1 на нулевую отметку. Затем движки резисторов R3 и R5 переводят соответственно в верхнее и крайнее левое положение и уточняют балансировку усилителя. Вернув SA1 в исходное положение (контроль баланса моста), приступают к калибровке прибора.

На вход вольтметра подают напряжение синусоидальной формы от звукового генератора. Его среднее квадратическое значение контролируют любым вольтметром переменного тока, имеющим необходимые пределы измерений и частотный диапазон. Отношение максимального измеряемого напряжения к минимальному для данного вольтметра немногим больше 10, поэтому пределы измерений целесообразно выбрать от 0,1 до 1 В (для широкополосного варианта с ОУ КИОУД8) или от 10 до 100 мВ (для варианта с номиналами по рис. 1). Установив входное напряжение чуть меньше нижнего предела измерений, например 9…9,5 мВ, с помощью подстроечного резистора R5 добиваются баланса моста (движок R3 - в верхнем по схеме положении). Затем движок резистора R3 переводят в нижнее положение, а входное напряжение увеличивают до тех пор. пока не восстановится баланс моста. Если это напряжение будет более 100 мВ (для рассматриваемого нами варианта), то можно переходить к калибровке прибора и градуировке его шкалы. В случае, когда напряжение, при котором балансируется мост, меньше 100 мВ или заметно больше этого значения, следует уточнить резистора R2 (соответственно уменьшить или увеличить его). При этом, естественно, процедуру установки пределов измерения повторяют снова. Операция калибровки прибора очевидна: подавая на его вход напряжение в пределах 10… 100 мВ, вращением движка резистора R3 добиваются нулевых показаний микроамперметра и наносят на шкалу соответствующие значения.

Измерения отношения сигнал-шум магнитофонов, усилителей и другой звуковоспроизводящей аппаратуры обычно производят со взвешивающими фильтрами, которые учитывают реальную чувствительность человеческого уха к сигналам различных частот. Вот почему среднеквадратичный целесообразно дополнить таким фильтром, принципиальная которого приведена на рис. 4. Формирование требуемой АЧХ производится тремя RC-цепями - R2C2, R4C3C4 и R6C5. Амплитудно- этого фильтра приведена на

рис. 5 (кривая 2). Здесь же для сравнения показана (кривая 1) соответствующая стандартная АЧХ (стандарт СЭВ 1359-78). В области частот ниже 250 Гц и выше 16 кГц АЧХ фильтра несколько отличается от стандартной (примерно на 1 дБ), но возникающей при этом погрешностью можно пренебречь, поскольку шумовые составляющие с такими частотами в отношении сигнал-шум звуковоспроизводящей аппаратуры невелики. Выигрыш за эти небольшие отклонения от стандартной АЧХ - простота фильтра и возможность с помощью одного переключателя на два направления (SA1) отключить фильтр и получить линейный с коэффициентом передачи 10. У фильтра коэффициент передачи на частоте 1 кГц также равен 10.

Отметим, что R5 не задействован в формировании АЧХ фильтра. Он исключает возможность его самовозбуждения на высоких частотах из-за фазовых сдвигов в цепи обратной связи, обусловленных конденсаторами СЗ и С4. этого резистора некритично. При настройке прибора его увеличивают до тех пор, пока не прекратится самовозбуждение фильтра (контролируют широкополосным осциллографом или высокочастотным милливольтметром).

После подбора резистора R5 переходят к подстройке АЧХ фильтра в области высоких частот. Последовательно снимая АЧХ фильтра при различных положениях ротора подстроечного конденсатора С4, находят такое его положение, при котором на частотах выше 1 кГц отклонения АЧХ от стандартной будут минимальными. В области низких частот (300 Гц и ниже) ход АЧХ при необходимости уточняют подбором конденсатора С5. С2 (состоящий из двух конденсаторов емкостью 0,01 мкФ и 2400 пФ, включенных параллельно) влияет в первую очередь на ход АЧХ на частотах 500…800 Гц. Последний этап в настройке фильтра - подбор резистора R2. Его должно быть таким, чтобы коэффициент передачи фильтра на частоте 1 кГц был равен 10. Затем проверяют сквозную АЧХ фильтра и при необходимости уточняют емкость конденсатора С2. Когда фильтр отключен, подбором резистора R3 устанавливают коэффициент передачи предварительного усилителя равным 10.

Если этот фильтр встраивается в среднеквадратичный , то С1 и R1 (см. рис. 1) можно исключить. Их функции будут выполнять С5 и С6, а также R6 (см. рис. 4). В этом случае сигнал с резистора R6 подают непосредственно на неинвертирующий вход операционного усилителя вольтметра.

Поскольку пик-фактор измеряемого переменного напряжения в общем случае заранее не известен, то, как уже отмечалось, возможна погрешность в измерениях

СКЗ, обусловленная ограничением амплитуды сигнала на выходе усилителя. Чтобы быть уверенным в отсутствии такого ограничения, в прибор целесообразно ввести пиковые индикаторы максимально допустимой амплитуды сигнала: один для сигналов положительной полярности, а другой для сигналов отрицательной полярности. За основу можно взять устройство, которое было описано в .

Список литературы

1. Сухов Н. Среднеквадратичный //Радио.- 1981.- № 1.- С. 53-55 и № 12.-С. 43-45.

2. Владимиров Ф. Индикатор максимального уровня//Радио.- 1983.-№ 5.-

Цель работы - исследование метрологических характеристик электронных вольтметров

Ознакомиться с используемой аппаратурой и инструкциями по ее применению. Получить у преподавателя конкретное задание по выполнению работы.

Определить основную погрешность электронного вольтметра на диапазоне измерений, указанном преподавателем. Построить на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра. Сделать вывод о соответствии поверяемого вольтметра своему классу точности.

Определить амплитудно-частотную характеристику АЧХ электронного вольтметра. Построить график АЧХ и определить рабочую полосу частот вольтметра на уровне затухания АЧХ, определяемом нормативно-технической документацией на поверяемый вольтметр.

Экспериментально оценить АЧХ цифрового вольтметра. Провести сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик электронного, цифрового и электромеханического 11 Примечание 1 . Результаты исследований по электромеханическим вольтметрам взять из лабораторной работы №1, если она предварительно выполнялась. вольтметров. Построить графики АЧХ исследуемых приборов.

Измерить электронным вольтметром напряжения различной формы (синусоидальной, прямоугольной и треугольной) с одинаковой амплитудой на частотах, лежащих в рабочей полосе частот этого прибора. Объяснить и подтвердить расчетами полученные результаты. Сделать вывод о влиянии формы измеряемого напряжения на показания электронного вольтметра.

Описание и порядок выполнения работы

Используемые приборы

Электронный вольтметр с аналоговым выходом - GVT-417В

Прибор измерительный универсальный с цифровой индикацией - GDM-8135

Генератор гармонических сигналов - SFG-2120

Осциллограф электронный - GOS-620

Описания приборов прилагаются на стенде .

Для выполнения работы применяют схему, представленную на рис. 2.1, где ГС - генератор (синтезатор) сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы,ЦВ - цифровой вольтметр, ЭВ - электронный вольтметр, ЭЛО - электронно-лучевой осциллограф.

1. Основную погрешность электронного вольтметра определяют методом сличения, т.е. сравнением его показаний с показаниями образцового, в данном случае цифрового вольтметра, при синусоидальном напряжении. Показания образцового вольтметра принимаются за действительные значения напряжения.

Поверку электронного вольтметра GVT-417B проводят при частоте 1кГц на шкалах с верхними пределами 1В или 3В, что обусловлено диапазоном регулирования выходного напряжения используемого генератора.

Поверку проводят для n = (610) отметок шкалы, равномерно распределенных по шкале прибора, при плавном увеличении и уменьшении его показаний

Поверяемые точки напряжения U п устанавливают на поверяемом электронном вольтметре, а действительные значения напряжений U о ув, U о ум снимают с образцового цифрового вольтметра соответственно при подходе к поверяемой отметке U п шкалы при увеличении и уменьшении показаний.

Результаты измерений и расчетов представляют в виде таблицы.

Абсолютную, относительную, приведенную погрешности и вариацию показаний определяют по формулам, приведенным в лабораторной работе 1 или в ; определяют также максимальную приведенную погрешность max = Мах{| i |} и максимальную вариацию H max = Мах{H i }, полученные в результате эксперимента.

По результатам испытаний и расчетов строят на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра, = F (U п), = F (U п); на графике также проводят линии, определяющие границы предельно допустимой приведенной погрешности, соответствующей классу точности поверяемого прибора.

На основании анализа данных об основной погрешности и вариации показаний делают вывод о соответствии указанных характеристик требованиям, определяемым классом точности поверяемого прибора.

2. Амплитудно-частотную характеристику электронного вольтметра определяют как зависимость показаний вольтметра от частоты входного синусоидального сигнала при постоянном значении его напряжения.

На практике широко используют понятие рабочей полосы частот средства измерений. Под рабочей полосой частот вольтметра понимают диапазон частот f , для которого неравномерность АЧХ вольтметра не превосходит некоторой заранее установленной допустимой величины. Так, для электронного вольтметра GVT-417B в пределах рабочей полосы допускается не более чем 10-ти процентное изменение показаний прибора от показания на частоте f 0 = 1КГц.

Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанному требованию, называются нижней f Н и верхней f В граничными частотами рабочей полосы электронного вольтметра.

Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 2.1. В качестве источника сигналов используют генератор SFG-2120, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне.

Предварительно на генераторе ГС устанавливают частоту f 0 =1кГц при синусоидальной форме сигнала. С помощью регулятора выходного напряжения генератора ГС устанавливают показание электронного вольтметра на отметке шкалы в диапазоне (0.7-0.9) от верхнего предела измерений и записывают установленное значение напряжения U П (f 0 =1кГц) = … .

В дальнейшем при определении АЧХ изменяют только частоту генератора сигналов ГС, а напряжение, снимаемое с генератора, не изменяют.

Для контроля уровня сигнала и его формы используют электронно-лучевой осциллограф. На экране осциллографа, путем выбора коэффициентов (VOLTS/DIV) отклонения и коэффициентов (TIME/DIV) развертки, получают удобную для наблюдений и измерений осциллограмму - изображение нескольких периодов синусоиды с достаточно большой амплитудой; записывают амплитуду l А (или l 2А - двойную амплитуду) изображения сигнала для последующего контроля уровня сигнала.

АЧХ удобно определять отдельно для области верхних и области нижних частот.

В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 100 кГц: 1 кГц (начальная частота), 100 кГц, 200 кГц, … до частоты, при которой показания электронного вольтметра упадут до величины порядка 0,8-0,9 от первоначально установленного показания U П (f 0 =1кГц). Для уточнения верхней частоты f в рабочей полосы частот f электронного вольтметра в районе 10-ти процентного спада АЧХ необходимо дополнительно снять несколько точек АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала.

В процессе проведения испытаний постоянный уровень выходного сигнала ГС контролируют электронным осциллографом.

Результаты испытаний и расчетов записать в таблицу:

Для ЭВ f В = … для ЦВ f В = …

где U П (f ) - показания вольтметра на частоте f ; K (f ) = U П (f ) /U П (f о = 1 кГц) - АЧХ вольтметра, представленная в относительных единицах для соответствующих частот, f в - верхняя граничная частота рабочей полосы вольтметра, найденная в эксперименте.

При выполнении задания аналогичным образом при тех же частотах оценивается АЧХ цифрового вольтметра. Результаты испытаний заносятся в ту же таблицу. Поскольку в данной работе требуется сравнить рабочие полосы частот электронного и цифрового вольтметров в качественном смысле, не обязательно уточнять АЧХ цифрового вольтметра в дополнительных точках по частоте. При этом значения граничных частот цифрового вольтметра будут определены с меньшей точностью.

Нижняя граничная частота f н рабочей полосы f для электронных вольтметров переменного тока обычно находится в области единиц и первых десятков Гц. Поэтому процедура определения АЧХ в области нижних частот может быть следующей: сначала уменьшают частоту от исходной f 0 =1000Гц через 200Гц, а затем от 50Гц - через 10Гц. При необходимости уточняют нижнюю частоту f н рабочей полосы, при которой АЧХ падает до уровня 0.9 от ее значения при f 0 =1000Гц, снятием дополнительных точек с шагом 1Гц.

Оценка АЧХ цифрового вольтметра проводится при тех же частотах.

Результаты испытаний и расчетов представляют в виде таблицы:

Для ЭВ f н = …Гц, для ЦВ f н = …Гц.

По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот. По оси частот графики удобно строить в логарифмическом масштабе.

3. Определение влияния формы входного сигнала на показания вольтметров переменного тока.

В электронных вольтметрах переменного тока применяют преобразователи Пр переменного напряжения в постоянное, как, например, показано на рис. 2.2, где: u вх (t ) - входное напряжение, У - усилитель переменного тока, ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм, - угол отклонения измерительного механизма.

Используют преобразователи амплитудного, средневыпрямленного или действующего значений переменного напряжения в постоянное. В то же время все электронные вольтметры переменного тока, не зависимо от вида преобразователя, градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения . Это может привести к появлению дополнительных погрешностей при измерении несинусоидальных напряжений.

Электронный вольтметр GVT-417B имеет преобразователь средневыпрямленного значения. Для таких вольтметров угол отклонения указателя пропорционален средневыпрямленному значению U ср входного напряжения

где: k V - коэффициент преобразования вольтметра, u вх (t ) - входное переменное напряжение с периодом Т .

Показания U п вольтметра градуируются в действующих U значениях синусоидального напряжения

где: k Ф = U /U СР - коэффициент формы напряжения, для синусоидального напряжения k Ф = 1,11. Следовательно, для другой формы напряжения (k Ф? 1,11) показания вольтметра могут значительно отличаться от его действующего значения, что приводит к появлению дополнительной погрешности результата измерений.

В таких случаях искомые напряжения при известной форме сигналов можно находить расчетным путем.

Исходя из принципа действия вольтметра и принятой градуировки можно по показаниям U П прибора определить средневыпрямленное значение любого (в пределах АЧХ вольтметра) измеряемого напряжения

U СР = U П /1,11.

Действующее значение U несинусоидального напряжения может быть определено только в том случае, когда известен коэффициент k Ф формы кривой напряжения, k Ф = U/ U СР (или известна форма сигнала, по которой может быть определен этот коэффициент)

U= k Ф U СР.

Численные значения коэффициентов формы для некоторых сигналов представлены в таблице.

Для экспериментальной оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра последовательно измеряют сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы при их одинаковой амплитуде.

Предварительно на синусоидальном сигнале устанавливают показания вольтметров в диапазоне 0.5 - 0.6 от верхнего предела измерений выбранной шкалы при номинальной частоте f н =1 кГц , а затем при той же амплитуде входных сигналов измеряют вольтметром напряжения при других формах сигнала. Формы сигналов (синусоидальная, треугольная, прямоугольная) устанавливается нажатием на клавишу “Wave ” на генераторе.

По показаниям U П вольтметра определяют среднее U СР и действующее U значения напряжений для всех форм сигналов.

Для оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра с преобразователем средневыпрямленного напряжения определяют дополнительную относительную погрешность (в процентах)

100(U П - U )/ U .

Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу.

Следует заметить, что дополнительная погрешность войдет в результат измерений, если действующие значения напряжений несинусоидальной формы определять непосредственно по показаниям вольтметра без учета формы сигнала и проведения соответствующих расчетов.

По результатам исследований сделать вывод о влиянии формы кривой напряжения на результаты его измерения электронным вольтметром.

Литература

Метрология, стандартизация и сертификация: учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. - М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 136-140.

В радиолюбительской практике это наиболее распространенный вид измерений. Например, при ремонте телевизора измеряются напряжения в характерных точках устройства, а именно на выводах транзисторов и микросхем. Если есть под рукой принципиальная схема, и на ней указаны режимы транзисторов и микросхем, то найти неисправность опытному мастеру не составит труда.

При налаживании конструкций, собранных своими руками, без измерения напряжений обойтись нельзя. Исключения составляют лишь классические схемы, про которые пишут примерно так: «Если конструкция собрана из исправных деталей, то наладки не требуется, заработает сразу».

Как правило, это классические схемы электроники, например, . Такой же подход может получиться даже к усилителю звуковой частоты, если он собран на специализированной микросхеме. Как наглядный пример TDA 7294 и еще много микросхем этой серии. Но качество «интегральных» усилителей невелико, и истинные ценители строят свои усилители на дискретных транзисторах, а порою на электронных лампах. И вот тут-то без налаживания и связанных с этим измерений напряжений просто не обойтись.

Как и что предстоит измерять

Показано на рисунке 1.

Рисунок 1.

Возможно, кто-то скажет, мол, что тут можно измерять? И какой смысл собирать подобную цепь? Да, практического применения для такой схемы найти, наверно, трудно. А для познавательных целей она вполне подойдет.

Прежде всего, следует обратить внимание на то, как подключается вольтметр. Поскольку на рисунке показана цепь постоянного тока, то и вольтметр подключается с соблюдением полярности, указанной на приборе в виде знаков «плюс» и «минус». В основном это замечание справедливо для стрелочного прибора: при несоблюдении полярности стрелка отклонится в обратную сторону, по направлению к нулевому делению шкалы. Так что получится какой-то отрицательный ноль.

Цифровые приборы, мультиметры, в этом плане более демократичны. Даже если подключены в обратной полярности, напряжение все равно будет измерено, только на шкале перед результатом появится знак «минус».

Еще на что следует обратить внимание при измерении напряжений это диапазон измерений прибора. Если предполагаемое напряжение находится в пределах, например, 10…200 милливольт, то такому диапазону соответствует шкала прибора 200 милливольт, а измерение упомянутого напряжения по шкале 1000 вольт вряд ли даст вразумительный результат.

Так же следует выбирать диапазон измерений и в других случаях. Для измеряемого напряжения 100 вольт вполне подойдет диапазон 200В и даже 1000В. Результат будет один и тот же. Это что касается .

Если же измерения производятся старым добрым стрелочным прибором, то для измерения напряжения 100В следует выбрать диапазон измерений, когда показания находятся в середине шкалы, что позволяет осуществить более точный отсчет.

И еще одна классическая рекомендация по использованию вольтметра, а именно: если величина измеряемого напряжения неизвестна, то измерения следует начинать, установив вольтметр на самый большой диапазон. Ведь если измеряемое напряжение будет 1В, а диапазон будет 1000В, самая большая опасность в неверных показаниях прибора. Если же получится наоборот, - диапазон измерений 1В, а измеряемое напряжение 1000, покупки нового прибора просто не избежать.

Что покажет вольтметр

Но, пожалуй, вернемся к рисунку 1, и попробуем определить, что, же покажут оба вольтметра. Для того, чтобы это определить, придется . Задачу можно решить за несколько шагов.

Во-первых, рассчитать ток в цепи. Для этого надо напряжение источника (на рисунке это гальваническая батарея с напряжением 1,5 В) разделить на сопротивление цепи. При последовательном соединении резисторов это будет просто сумма их сопротивлений. В виде формулы это выглядит примерно так: I = U / (R1 + R2) = 4,5 / (100 + 150) = 0,018 (А) = 180 (мА).

Маленькое замечание: если выражение 4,5 / (100 + 150) скопировать в буфер обмена, затем вставить в окно виндоус-калькулятора, то после нажатия клавиши «равно» будет получен результат вычислений. На практике вычисляются еще более сложные выражения, содержащие квадратные и фигурные скобки, степени и функции.

Во-вторых, получить результаты измерений, как падение напряжения на каждом резисторе:

U1 = I * R1 = 0,018 * 100 = 1,8 (В),

U2 = I * R2 = 0,018 * 150 = 2,7 (В),

Для проверки правильности вычислений достаточно сложить оба получившиеся значения падения напряжений. Сумма должна быть равна напряжению батареи.

Возможно, у кого-то может возникнуть вопрос: «А если делитель будет не из двух резисторов, а из трех или даже из десяти? Как определить падение напряжения на каждом из них?». Точно так же, как и в описанном случае. Сначала надо определить общее сопротивление цепи и рассчитать общий ток.

После чего этот уже известный ток просто умножить на . Иногда такие вычисления делать приходится, но тут тоже есть одно но. Чтобы не сомневаться в полученных результатах ток в формулы следует подставлять в Амперах, а сопротивление в Омах. Тогда, вне всяких сомнений, результат получится в Вольтах.

Сейчас все привыкли пользоваться приборами китайского производства. Но это не говорит о том, что качество у них никудышное. Просто в отечестве никто не додумался до производства собственных мультиметров, а стрелочные тестеры делать, видимо, разучились. Просто обидно за державу.

Рис. 2. Мультиметр DT838

Когда-то в инструкциях к приборам указывались их технические характеристики. В частности для вольтметров и стрелочных тестеров это было входное сопротивление, и указывалось оно в Килоомах/Вольт. Были приборы с сопротивлением 10 К/В и 20 К/В. Последние считались более точными, поскольку меньше подсаживали измеряемое напряжение и показывали более точный результат. Сказанное можно подтвердить рисунком 3.

Рисунок 3.

Действующее напряжение U составляет 0,707 амплитудного напряжения Uм.

U = Uм/√2 = 0,707 * Uм, откуда можно сделать вывод, что Uм = U * √2 = 1,41 * U

Здесь уместно привести широко распространенный пример. При измерении переменного напряжения прибор показал 220В, значит, амплитудное значение по формуле получится

Uм = U * √2 = 1,41 * U = 220 * 1,41 = 310В.

Этот расчет подтверждается каждый раз, когда сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом после которого стоит хотя бы один электролитический конденсатор: если померить постоянное напряжение на выходе моста, то прибор покажет как раз 310В. Эту цифру следует запомнить, она может пригодиться при разработке и ремонте импульсных блоков питания.

Указанная формула справедлива для всех напряжений, если они будут иметь синусоидальную форму. Например, после понижающего трансформатора имеется 12В переменки. Тогда после выпрямления и сглаживания на конденсаторе получится

12 * 1,41 = 16,92 почти 17В. Но это если не подключена нагрузка. При подключенной нагрузке постоянное напряжение подсядет почти до 12В. В случае, когда форма напряжения иная, чем синусоида эти формулы не работают, приборы показывают не то, что от них ожидалось. На этих напряжениях измерения производятся другими приборами, например, осциллографом.

Еще один фактор, влияющий на показания вольтметра это частота. Например, цифровой мультиметр DT838 согласно своих характеристик меряет переменные напряжения в диапазоне частот 45…450Гц. Несколько лучше в этом плане выглядит старенький стрелочный тестер ТЛ4.

В диапазоне напряжений до 30В его частотный диапазон составляет 40…15000Гц (почти весь звуковой диапазон, можно пользоваться при настройке усилителей), но с увеличением напряжения допустимая частота падает. В диапазоне 100В это 40…4000Гц, 300В 40…2000Гц, а в диапазоне 1000В всего 40…700Гц. Вот тут уже бесспорная победа над цифровым прибором. Эти цифры также справедливы лишь для напряжений синусоидальной формы.

Хотя иногда и не требуется никаких данных о форме, частоте и амплитуде переменных напряжений. Например, как определить работает гетеродин коротковолнового приемника или нет? Почему приемник ничего не «ловит»?

Оказывается, все очень просто, если воспользоваться стрелочным прибором. Надо включить его на любой предел измерения переменных напряжений и одним щупом (!) коснуться выводов транзистора гетеродина. Если есть высокочастотные колебания, то они продетектируются диодами внутри прибора, и стрелка отклонится на некоторую часть шкалы.

Вольтметр – это измерительный прибор, который предназначен для измерения напряжения постоянного или переменного тока в электрических цепях.

Вольтметр подключается параллельно к выводам источника напряжения с помощью выносных щупов. По способу отображения результатов измерений вольтметры бывают стрелочные и цифровые.

Величина напряжения измеряется в Вольтах , обозначается на приборах буквой В (в русском языке) или латинской буквой V (международное обозначение).

На электрических схемах вольтметр обозначается латинской буквой V, обведенной окружностью, как показано на фотографии.

Напряжение тока бывает постоянное и переменное. Если напряжение источника тока переменное, то перед значением ставится знак "~ ", если постоянного, то знак "– ".

Например, переменное напряжение бытовой сети 220 Вольт кратко обозначается так: ~220 В или ~220 V . На батарейках и аккумуляторах при их маркировке знак "– " часто опускается, просто нанесено число. Напряжение боротой сети автомобиля или аккумулятора обозначается так: 12 В или 12 V , а батарейки для фонарика или фотоаппарата: 1,5 В или 1,5 V . На корпусе в обязательном порядке наносится маркировка возле положительного вывода в виде знака "+ ".

Полярность переменного напряжения изменяется во времени. Например, напряжение в бытовой электропроводке изменяет полярность 50 раз в секунду (частота изменения измеряется в Герцах, один Герц равен одному изменению полярности напряжения в одну секунду).

Полярность постоянного напряжения во времени не меняется. Поэтому для измерения напряжения переменного и постоянного тока требуются разные измерительные приборы.

Существуют универсальные вольтметры, с помощью которых можно измерять как переменное, так и постоянное напряжение без переключения режимов работы, например, вольтметр типа Э533.

Как измерять напряжение в электропроводке бытовой сети

Внимание! При измерении напряжения величиной выше 36 В недопустимо прикосновение человека к оголенным провода, так как можно получить удар током.

Согласно требованиям ГОСТ 13109-97 действующее значение напряжения в электрической сети должно быть 220 В ±10% , то есть может изменяться в пределах от 198 В до 242 В . Если в квартире стали тускло гореть лампочки или часто перегорать, стала не стабильно работать бытовая техника, то для принятия мер, требуется сначала измерять значение напряжения в электропроводке.

Приступая к измерениям, необходимо подготовить прибор: – проверить надежность изоляции проводников с наконечниками и щупов; – установить переключатель пределов измерений в положение измерения переменного напряжения не менее 250 В;

– вставить разъемы проводников в гнезда прибора ориентируясь по надписям возле них;

– включить измерительный прибор (если необходимо).

Как видно на картинке, в тестере выбран предел изменения переменного напряжения 300 В, а в мультиметре 700 В. Во многих моделях тестеров, нужно установить в требуемое положение сразу несколько переключателей. Род тока (~ или –), вид измерений (В, А или Омы) и еще вставить концы щупов в нужные гнезда.

В мультиметре конец щупа черного цвета вставлен в гнездо COM (общее для всех измерений), а красного в V, общий для изменения постоянного и переменного напряжения, тока, сопротивления и частоты. Гнездо, обозначенное ma , используются для измерения малых токов, 10 А при измерении тока достигающего 10 А.

Внимание! Измерение напряжения, когда штекер вставлен в гнездо 10 А выведет прибор из строя. В лучшем случае перегорит вставленный внутри прибора предохранитель, в худшем придется покупать новый мультиметр. Особенно часто допускают ошибки при использовании приборов для измерения сопротивления, и, забыв переключить режим, измеряют напряжение. Встречал не один десяток таких неисправных приборов, с горелыми резисторами внутри.

После проведения всех подготовительных работ можно приступать к измерению. Если Вы включили мультиметр, а на индикаторе не появились цифры, значит, либо в прибор не установлена батарейка или она уже выработала свой ресурс. Обычно в мультиметрах применяется батарейка типа «Крона», напряжением 9 В, срок годности которой один год. По этому, даже если прибор не использовался долгое время, батарейка может быть неработоспособна. При эксплуатации мультиметра в стационарных условиях целесообразно вместо кроны использовать адаптер ~220 В/–9 В.

Вставляете концы щупов в розетку или прикасаетесь ними к проводам электропроводки.

Мультиметр сразу покажет напряжение в сети, а вот в стрелочном тестере показания надо еще уметь прочитать. На первый взгляд, кажется, что сложно, так как много шкал. Но если присмотреться, то становится ясно, по какой шкале считывать показания прибора. На рассматриваемом приборе типа ТЛ-4 (который безотказно мне служит более 40 лет!) есть 5 шкал.

Верхняя шкала используется для снятия показаний, когда переключатель стоит в положениях кратных 1 (0,1, 1, 10, 100, 1000). Шкала, расположенная чуть ниже, кратных 3 (0,3, 3, 30, 300). При измерениях напряжения переменного тока величиной 1 В и 3 В, нанесены еще 2 дополнительные шкалы. Для измерения сопротивления имеется отдельная шкала. Аналогичную градуировку имеют все тестеры, но кратность может быть любая.

Так как предел измерений был выставлен ~300 В, значит, отсчет нужно производить по второй шкале с пределом 3, умножив показания на 100. Цена маленького деления равна 0,1, следовательно, получается 2,3 + стрелка стоит посередине между штрихами, значит, берем значение показаний 2,35×100=235 В.

Получилось, что измеренное значение напряжения составляет 235 В, что в пределах допустимого. Если в процессе измерений наблюдается постоянное изменение значения цифр младшего разряда, а у тестера стрелка постоянно колеблется, значит, имеются плохие контакты в соединениях электропроводки и необходимо провести ее ревизию.

Как измерять напряжение батарейки
аккумулятора или блока питания

Так как напряжение источников постоянного тока обычно не превышает 24 В, то прикосновение к клеммам и оголенным проводам не опасно для человека и особых мер безопасности соблюдать не требуется.

Для того, чтобы оценить годность батарейки, аккумулятора или исправность блока питания требуется измерять напряжение на их выводах. Выводы у круглых батареек находятся по торцам цилиндрического корпуса, положительный вывод обозначен знаком «+».

Измерение напряжения постоянного тока практически мало чем отличается от измерения переменного. Нужно просто переключить прибор в соответствующий режим измерения и соблюдать полярность подключения.

Величина напряжения, которое создает батарейка обычно нанесена на ее корпусе. Но даже если результат измерений показал достаточное напряжение, это еще не говорит о том, что батарейка хорошая, так как измерена ЭДС (электро движущая сила), а не емкость батарейки, от которой зависит продолжительность работы изделия, в которое она будет установлена.

Для более точной оценки емкости батарейки нужно напряжение измерять, подсоединив к ее полюсам нагрузку. В качестве нагрузки для батарейки 1,5 В хорошо подходит лампочка накаливания для фонарика, рассчитанная на напряжение 1,5 В. Для удобства работы нужно припаять к ее цоколю проводники.

Если напряжение под нагрузкой снижается менее, чем на 15%, то батарейка или аккумулятор вполне пригодны для эксплуатации. Если нет измерительного прибора, то можно судить о годности к дальнейшей эксплуатации батарейки по яркости свечения лампочки. Но такая проверка не может гарантировать продолжительность работы батарейки в устройстве. Она лишь свидетельствует, что в настоящее время батарейка еще пригодна к эксплуатации.

Для измерения переменного напряжения используются аналоговые электромеханические приборы (электромагнитные, электродинамические, редко - индукционные), аналоговые электронные приборы (в том числе выпрямительной системы) и цифровые измерительные приборы. Для измерений могут также использоваться компенсаторы, осциллографы, регистрирующие устройства и виртуальные приборы.

При измерении переменного напряжения следует различать мгновенное, амплитудное, среднее и действующее значения искомого напряжения.

Синусоидальное переменное напряжение может быть представлено в виде следующих соотношений:

где u(t) - мгновенное значение напряжения, В; U m - амплитудное значение напряжения, В; (У - среднее значение напряжения, В Т - период

(Т = 1//) искомого синусоидального напряжения, с; U - действующее значение напряжения, В.

Мгновенное значение переменного тока может быть отображено на электронном осциллографе или с помощью аналогового регистратора (самописца).

Средние, амплитудные и действующие значения переменных напряжений измеряются стрелочными или цифровыми приборами непосредственной оценки или компенсаторами переменных напряжений. Приборы для измерения средних и амплитудных значений используются сравнительно редко. Большая часть приборов градуируется в действующих значениях напряжения. Из этих соображений количественные значения напряжений, приведенные в учебном пособии, даны, как правило, в действующих значениях (см. выражение (23.25)).

При измерениях переменных величин большое значение имеет форма искомых напряжений, которые могут быть синусоидальными, прямоугольными, треугольными и др. В паспортах на приборы всегда указывается, для измерения каких напряжений рассчитан прибор (например, для измерения синусоидальных напряжений или прямоугольных). При этом всегда указывается, какой параметр переменного напряжения измеряется (амплитудное значение, среднее значение или действующее значение измеряемого напряжения). Как уже отмечалось, большей частью используется градуировка приборов в действующих значениях искомых переменных напряжений. В силу этого все далее рассматриваемые переменные напряжения даны в действующих значениях.

Для расширения пределов измерения вольтметров переменных напряжений используются добавочные сопротивления, измерительные трансформаторы и добавочные емкости (с приборами электростатической системы).

Использование добавочных сопротивлений для расширения пределов измерения уже рассмотрено в подразделе 23.2 применительно к вольтметрам постоянного напряжения и поэтому в данном подразделе не рассматривается. Не рассматриваются также измерительные трансформаторы напряжения и тока. Сведения по трансформаторам даны в литературе .

При более детальном рассмотрении использования добавочных емкостей для расширения пределов измерения электростатистики вольтметров может применяться одна дополнительная емкость (рис. 23.3, а) или же могут быть применены две дополнительные емкости (рис. 23.3, б).

Для схемы с одной дополнительной емкостью (рис. 23.3, а ) измеряемое напряжение U распределяется между емкостью вольтметра С у и дополнительной емкостью С обратно пропорционально значениям С у и С

Учитывая, что U c = U- Uy, можно записать

Рис. 23.3. Схема расширения пределов измерения электростатических

вольтметров:

а - схема с одной добавочной емкостью; б - схема с двумя добавочными емкостями; U - измеряемое переменное напряжение (действующее значение); С, С, С 2 - добавочные емкости; C v - емкость используемого электростатического вольтметра V; U c - падение напряжения на дополнительной емкости С; U v - показание электростатического вольтметра

Решая уравнение (23.27) относительно U, получим:

Из выражения (23.28) следует, что чем больше измеряемое напряжение U по сравнению с предельно допускаемым напряжением для данного электростатического механизма, тем меньше должна быть емкость С по сравнению с емкостью С у.

Следует отметить, что формула (23.28) правомерна лишь при идеальной изоляции конденсаторов, образующих емкости С и C v . Если же диэлектрик, изолирующий пластины конденсаторов друг от друга, имеет потери, то возникают дополнительные погрешности. Кроме того, емкость вольтметра С у зависит от измеряемого напряжения U, так как от U зависят показания вольтметра и соответственно взаимное расположение подвижных и неподвижных пластин, образующих электростатический измерительный механизм. Последнее обстоятельство приводит к появлению еще одной дополнительной погрешности.

Лучшие результаты получаются, если вместо одной добавочной емкости использовать две добавочные емкости С (и С 2 , образующие делитель напряжения (см. рис. 23.3, б).

Для схемы с двумя добавочными емкостями правомерно соотношение

где U a - падение напряжения на емкости С у

Учитывая, что можно записать

Решая уравнение (23.30) относительно U, получим:

Из выражения (23.31) можно сделать вывод, что если емкость конденсатора С 2 , к которому подключен вольтметр, значительно превышает емкость самого вольтметра, то распределение напряжения практически не зависит от показания вольтметра. Кроме того, при С 2 » С у изменение сопротивления изоляции конденсаторов С, и С 2 и частоты

Таблица 23.3

Пределы и погрешности измерения переменных напряжений

измеряемого напряжения также мало влияют на показания прибора. То есть при использовании двух добавочных емкостей дополнительные погрешности результатов измерений значительно снижаются.

Пределы измерения переменных напряжений приборами разных типов и наименьшие погрешности этих приборов приведены в табл. 23.3.

В качестве примеров в приложении 5 (табл. П.5.1) приведены технические характеристики универсальных вольтметров, позволяющих измерять, в том числе, и переменные напряжения.

В заключение следует отметить следующее.

Погрешности измерения токов (постоянных и переменных) приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения напряжений (и постоянных, и переменных). Погрешности измерения переменных токов и напряжений приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения постоянных токов и напряжений.

Более подробную информацию по затронутым вопросам можно получить в .