Gleichrichterartiges Meßgerät
Definition
Messgeräte, die ein Gleichrichterelement zur Messung von Spannung und Strom verwenden, werden als Gleichrichtermessgeräte bezeichnet. Das Gleichrichterelement wandelt Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um, der dann von einem auf Gleichstrom reagierenden Messgerät angezeigt wird. Ein Permanentmagnet-Spuleninstrument (PMMC) wird häufig als Anzeigegerät verwendet.
Gleichrichtermessgeräte weisen eine höhere Empfindlichkeit auf als Spulen- und Elektrodynamometer-Instrumente, was sie für Strom- und Spannungsmessungen geeignet macht. Die Schaltungsanordnung eines Gleichrichtergeräts ist in der folgenden Abbildung dargestellt, wobei vier Dioden als Gleichrichterelement fungieren.
Der Multiplikatorwiderstand Rs wird verwendet, um den Strom so zu begrenzen, dass sein Wert nicht die Spezifikation des PMMC-Instruments überschreitet.
Gleichrichterelement
Ein Gleichrichterelement wandelt Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um, um eine unidirektionale Stromflussrichtung durch das PMMC-Instrument sicherzustellen. Gebräuchliche Materialien für Gleichrichterelemente sind Kupferoxid, Selenzellen, Germaniumdioden und Siliziumdioden.
Das Gleichrichterelement zeigt im Vorwärtszustand keinen Widerstand und im Rückwärtszustand unendlichen Widerstand, eine Eigenschaft, die für die Gleichrichtung entscheidend ist.
Kennlinie des Gleichrichterelements
Die Kennlinie einer Gleichrichterschaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Idealerweise hat das Gleichrichterelement keinen Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung und blockiert den gesamten Strom in Rückwärtsrichtung.
In der Praxis ist dies jedoch nicht möglich. Die tatsächliche Kennlinie des Gleichrichterelements ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Halbwellengleichrichterschaltung
Die folgende Abbildung zeigt eine Halbwellengleichrichterschaltung. Das Gleichrichterelement ist in Reihe mit der Spannungsquelle, dem Multiplikatorwiderstand und dem Permanentmagnet-Spuleninstrument (PMMC) verbunden. Der Vorwiderstand der Diode wird als vernachlässigbar angenommen.
Wenn eine Gleichspannungsquelle an die Schaltung angeschlossen wird, fließt ein Strom Im durch die Schaltung, dessen Betrag gleich V/(Rm + RS) ist. Dieser Strom verursacht eine vollständige Abweichung im Instrument.
Wenn eine Wechselspannung an dieselbe Schaltung angeschlossen wird, wandelt das Gleichrichterelement die Wechselspannung in unidirektionalen Gleichstrom um, was zu einem gegleichrichteten Ausgang durch das Instrument führt. Das PMMC-Instrument weicht abhängig vom Mittelwert des Stroms, der wiederum vom Mittelwert der Wechselspannungsquelle abhängt, aus.
Mittelwert der Spannung
Die obige Berechnung zeigt, dass die Empfindlichkeit des Instruments für Wechselstrom 0,45-mal die Stromempfindlichkeit für Gleichstrom beträgt.
Vollwellengleichrichterinstrument
Die Schaltung eines Vollwellengleichrichters ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die an die Schaltung angeschlossene Gleichspannung verursacht die vollständige Abweichung des PMMC-Messers. Die sinusförmige Spannung, die an das Messgerät angeschlossen wird, wird wie folgt ausgedrückt:
Für denselben Spannungswert beträgt der Mittelwert des Wechselstroms 0,9-mal den des Gleichstroms. Mit anderen Worten, die Empfindlichkeit des Instruments für Wechselstrom beträgt 90 % der Empfindlichkeit für Gleichstrom.
Die Empfindlichkeit eines Vollwellengleichrichtergeräts ist doppelt so hoch wie die eines Halbwellengleichrichtergeräts.
Empfindlichkeit des Gleichrichtergeräts
Die Empfindlichkeit eines Instruments spiegelt wider, wie sich die gemessene Größe von Eingang zu Ausgang ändert, wie z.B. die Gleichstromempfindlichkeit eines Gleichrichtergeräts.
Die Empfindlichkeit eines Wechselstromgleichrichtergeräts hängt vom verwendeten Gleichrichterelement in der Schaltung ab.
Faktoren, die die Leistung von Gleichrichtergeräten beeinflussen
Die folgenden Faktoren beeinflussen die Leistung des Instruments, wenn es mit Wechselstrom verwendet wird:
Auswirkungen der Wellenform
Gleichrichtergeräte werden basierend auf dem effektiven (RMS) Wert von Spannung und Strom kalibriert. Der Formfaktor von Halb- und Vollwellengleichrichtergeräten ist für die kalibrierte Skala festgelegt. Wenn eine Wellenform mit einem anderen Formfaktor angewendet wird, treten Lesefehler aufgrund der Wellenformungleichheit auf.
Auswirkungen von Temperaturänderungen
Der Widerstand des Gleichrichterelements variiert mit der Temperatur, was Fehler in den Messungen des Instruments verursacht.
Auswirkungen von Hochfrequenzströmen
Gleichrichtergeräte haben unvollkommene Kapazitätseigenschaften, die es Hochfrequenzströmen ermöglichen, durchzugehen und die Messungen zu beeinflussen.
Abnahme der Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit von Gleichrichtergeräten für Wechselstrombetrieb ist geringer als die für Gleichstrombetrieb.
Vorteile von Gleichrichtergeräten
Erweiterte Frequenzbereiche: Funktioniert von 20 Hz bis zu hohen Frequenzbereichen.
Niedriger Stromverbrauch: Für Voltmesser liegt der Stromverbrauch im Betriebsbereich viel niedriger als bei anderen Wechselstrommessgeräten.
Einheitliche Skalen: Bietet einheitliche Skalen über einen weiten Messbereich.
Moderate Genauigkeit: Erreicht eine Genauigkeit von ±5 % unter normalen Betriebsbedingungen.
Anwendungen von Gleichrichtergeräten
