ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

Полезная модель относится к области электроизмерений, в частности к измерительным преобразователям, и может быть использована в приборах для измерения переменного напряжения путем преобразования его в постоянное.
Известен измерительный преобразователь напряжения переменного тока в постоянное, содержащий операционный усилитель, два диода, включенные согласно-последовательно, первый вывод первого и второй вывод второго которых соединены с выходом операционного усилителя, второй вывод первого диода подключен к инвертирующему входу операционного усилителя и соединен через первый резистор с источником измеряемого переменного напряжения и через второй резистор с первым выводом второго диода [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - П.: Энергоатомиздат, 1988, с. 125, рис. 4.5, а].
Недостатком данного преобразователя является то, что он не позволяет получать пропорциональной зависимости между выходным постоянным напряжением и действующим значением входного переменного напряжения. Это приводит к снижению точности измерения входного напряжения.
8
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измерительный преобразователь переменного тока в постоянный [патент RU №2093842 (фиг. 3), МПК G01R 19/22, опубл. 20.10.1997 г.], содержащий два операционных усилителя, четыре диода, сглаживающий фильтр и три резистора, соединенных между собой звездой, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с источником измеряемого переменного напряжения, инвертирующий вход с вторым выводом первого диода и с первым выводом первого резистора, выход с первым выводом первого диода и вторым выводом второго диода, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен со вторым выводом третьего диода и первым выводом третьего резистора, выход с первым выводом третьего диода и вторым выводом четвертого диода, выход сглаживающего фильтра является выходом преобразователя, первые выводы второго и четвертого диодов и первый вывод второго резистора соединены с входом сглаживающего фильтра, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к средней точке резистивного делителя напряжения, включенного между выходом сглаживающего фильтра и общей шиной.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного преобразователя является то, что, наряду с повышением точности измерения входного напряжения, он обладает низким быстродействием, обусловленным большой постоянной времени сглаживающего фильтра.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия преобразователя за счет уменьшения постоянной времени сглаживающего фильтра.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий первый двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий фильтр, выход которого является выходом преобразователя, вход которого соединен с входом первого двухполупериодного выпрямителя, дополнительно введены фазосмещатель, второй и третий двухполупериодные выпрямители, блок вычитания и дифференциатор, причем вход преобразователя через фазосмещатель соединен с входом второго двухполупериодного выпрямителя, а выходы первого и второго двухполупериодных выпрямителей присоединены соответственно к первому и второму входам блока вычитания, выход которого через дифференциатор соединен с входом третьего двухполупериодного выпрямителя, выход которого соединен с входом сглаживающего фильтра.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение фазосмещателя, второго и третьего двухполупериодного выпрямителя, блока вычитания, дифференциатора и новая организация связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения быстродействия преобразователя.
вх
1
6
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u-u, u.
Преобразователь (фиг. 1) содержит фазосмещатель 1, три двухполупериодных выпрямителя 2, 3, 6, блок вычитания 4, дифференциатор 5 и сглаживающий фильтр 7. Вход преобразователя соединен с входами первого двухполупериодного выпрямителя 2 и через фазосмещатель 1 с входом второго двухполупериодного выпрямителя 3, выходы первого 2 и второго 3 двухполупериодных выпрямителей присоединены соответственно к первому и второму входам блока вычитания 4, выход которого через дифференциатор 5 соединен с входом третьего двухполупериодного выпрямителя 6, выход которого соединен с входом сглаживающего фильтра 7, выход которого является выходом преобразователя.
вх
вх
1
2
3
4
Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое входное напряжение переменного тока u сдвигается фазосмещателем 1 на угол 90° в сторону опережения. Входное напряжение u и выходное напряжение фазосмещателя 2 u выпрямляются соответственно двухполупериодными выпрямителями 2, 3 и, полученные напряжения u и u, подаются на соответствующие входы блока вычитания 4. После операции вычитания напряжение u на выходе блока вычитания 4 имеет форму близкую к треугольной (фиг. 2).
4
5
В результате дифференцирования дифференциатором 5 напряжения u на его выходе формируется переменное напряжение u, по форме близкое к прямоугольной (фиг. 2).
5
6
После выпрямления переменного напряжения u двухполупериодными выпрямителем 6, на его выходе формируется постоянное напряжение u, содержащее незначительные пульсации, которые эффективно сглаживаются сглаживающим фильтром 7, имеющим небольшую постоянную времени.
вых
вх
В результате на выходе сглаживающего фильтра 7 и на выходе устройства формируется постоянное напряжение u, которое не содержит переменной составляющей, а его величина пропорциональна измеряемому входному напряжению U.
6
В связи с тем, что амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения u значительно меньше, чем соответствующее напряжение у прототипа, сглаживающий фильтр 7 имеет значительно меньшую постоянную времени, тем самым имеет место повышение быстродействия преобразователя более чем в три раза.
При практической реализации предлагаемого преобразователя фазосмещатель 1 может быть выполнен по схеме фазового фильтра на основе конверторов полного сопротивления на операционных усилителях (ОУ) (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 138, рис. 6.33). Двухполупериодные выпрямители 2, 3, 6 выполнены по схеме активного выпрямителя на ОУ (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 315, рис. 11.37). Блок вычитания 4 представляет собой параллельный (дифференциальный) сумматор на ОУ. Дифференциатор 5 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. Сглаживающий фильтр 7 представляет собой активный фильтр нижних частот Саллена-Кея второго порядка (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 106, рис. 6.11).