Прибор типа выпрямитель

Определение

Приборы, использующие выпрямляющий элемент для измерения напряжения и тока, называются выпрямительными приборами. Выпрямляющий элемент преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), который затем отображается прибором, реагирующим на постоянный ток. Обычно в качестве указывающего устройства используется прибор с постоянным магнитом и подвижной катушкой (PMMC).

Выпрямительные приборы обладают большей чувствительностью по сравнению с приборами с подвижной катушкой и электродинамическими приборами, что делает их подходящими для измерений тока и напряжения. Схема соединения выпрямительного прибора показана на рисунке ниже, где четыре диода выполняют функцию выпрямляющего элемента.

Сопротивление умножителя Rs используется для ограничения тока, чтобы его значение не превышало допустимое значение для прибора PMMC.

Выпрямляющий элемент

Выпрямляющий элемент преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), обеспечивая однонаправленное течение тока через прибор PMMC. Общие материалы для выпрямляющих элементов включают оксид меди, селеновые ячейки, германиевые диоды и кремниевые диоды.

Выпрямляющий элемент имеет нулевое сопротивление в прямом направлении и бесконечное сопротивление в обратном направлении, что является ключевым свойством для выпрямления.

Характеристическая кривая выпрямляющего элемента

Характеристическая кривая выпрямительной цепи показана на рисунке ниже. Идеально, выпрямляющий элемент не имеет падения напряжения в прямом направлении и полностью блокирует ток в обратном направлении.

Однако на практике это невозможно. Реальная характеристическая кривая выпрямляющего элемента показана на рисунке ниже.

Цепь полупериодного выпрямителя

На рисунке ниже показана цепь полупериодного выпрямителя. Выпрямляющий элемент подключен последовательно с источником напряжения, умножителем сопротивления и прибором PMMC. Прямое сопротивление диода считается пренебрежимо малым.

Когда к цепи подключается источник постоянного напряжения, через нее протекает ток Im, величина которого равна V/(Rm + RS). Этот ток вызывает полное отклонение стрелки прибора.

Когда к той же цепи подключается источник переменного напряжения, выпрямляющий элемент преобразует переменное напряжение в однородное постоянное напряжение, обеспечивая выпрямленный выход через прибор. Прибор PMMC отклоняется в зависимости от среднего значения тока, которое зависит от среднего значения напряжения источника переменного тока.

Среднее значение напряжения

Это вычисление показывает, что чувствительность прибора для переменного тока составляет 0,45 от чувствительности для постоянного тока.

Прибор с двухполупериодным выпрямителем

Схема двухполупериодного выпрямителя показана на рисунке ниже.

Поданное к цепи постоянное напряжение вызывает полное отклонение стрелки прибора PMMC. Синусоидальное напряжение, применяемое к прибору, выражается как

Для того же значения напряжения, среднее значение переменного тока составляет 0,9 от постоянного тока. Другими словами, чувствительность прибора при переменном токе составляет 90% от чувствительности при постоянном токе.

Чувствительность прибора с двухполупериодным выпрямителем вдвое выше, чем у прибора с полупериодным выпрямителем.

Чувствительность выпрямительного прибора

Чувствительность прибора отражает, как изменяется измеряемая величина от входа к выходу, например, постоянная чувствительность выпрямительного прибора.

Чувствительность прибора с выпрямителем переменного тока зависит от типа выпрямляющего элемента, используемого в цепи.

Факторы, влияющие на работу выпрямительных приборов

Следующие факторы влияют на работу прибора при использовании переменного тока:

Влияние формы сигнала

Выпрямительные приборы калибруются на основе эффективного (среднеквадратичного) значения напряжения и тока. Форм-фактор приборов с полупериодным и двухполупериодным выпрямителем фиксирован для калиброванной шкалы. Если применяется форма сигнала с другим форм-фактором, возникнут ошибки из-за несоответствия формы сигнала.

Влияние изменения температуры

Сопротивление выпрямляющего элемента изменяется с температурой, что вносит ошибки в измерения прибора.

Влияние высокочастотных токов

Выпрямительные приборы имеют неполные емкостные характеристики, позволяющие высокочастотным токам проходить и влиять на показания.

Уменьшение чувствительности

Чувствительность выпрямительных приборов при работе с переменным током ниже, чем при работе с постоянным током.

Преимущества выпрямительных приборов

• Расширенный диапазон частот: работает от 20 Гц до высокочастотных диапазонов.

• Низкое потребление тока: для вольтметров, диапазон рабочего тока намного ниже, чем у других приборов переменного тока.

• Равномерные шкалы: обеспечивают равномерные шкалы в широком диапазоне измерений.

• Умеренная точность: достигается точность ±5% при нормальных условиях эксплуатации.

Применение выпрямительных приборов

• Измеряет напряжение в диапазоне 50–250 В.

• Используется в качестве миллиамперметров или микроамперметров.

• Применяется в коммуникационных цепях для измерения сигналов.

• Примечание: чувствительность вольтметра с выпрямителем переменного тока ниже, чем у вольтметра постоянного тока, что приводит к более высокому эффекту нагрузки при измерениях переменного тока.