ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в качестве делителя напряжения переменного тока с улучшенными метрологическими характеристиками.
7
Известен индуктивный делитель напряжения, содержащий каскады, выполненные в виде двухступенчатых трансформаторов на двух ферромагнитных сердечниках [Патент RU №39001, МПК H 01 F 21/12. Опубл. 10.07.2004, Бюл. №19 - 2 с.]. На одном из сердечников намотана обмотка возбуждения, а на обоих жгутами из N изолированных проводов намотаны предыдущая и последующая делительные обмотки, снабженные эталонными обмотками, выполненными из изолированных проводов, размещенных внутри жгутов, и соединенными с разъемными соединителями и многопозиционными спаренными переключателями, которые соединены с отводами делительных обмоток и внешними средствами измерений при калибровке. Обмотка возбуждения выполнена из двух равномерно скрученных в жгут изолированных проводов, соединенных согласно и последовательно, и средний отвод ее соединен со средним отводом предыдущей делительной обмотки, выполненной из равномерно скрученных в жгут изолированных проводов, диаметр которых в три раза больше диаметра проводов, равномерно скрученных в жгут, последующей делительной обмотки.
Недостатком такого делителя является увеличение погрешности коэффициента передачи на высоких частотах (свыше 10 кГц) из-за сравнительно больших значений выходных импедансов делительных обмоток и взаимовлияния (шунтирования) предыдущей и последующей декад.
2
Известен также многодекадный индуктивный делитель напряжения с программным управлением [А.с. СССР №744746, МКИ H 01 F 21/00. Опубл. 30.06.80, Бюл. №24. - 4 с.], содержащий старшую и младшую декады, при этом старшая декада имеет делительную обмотку, а младшая декада - обмотку возбуждения и делительную обмотку, и устройство управления, соединенное с переключающим устройством. Делитель снабжен двухпозиционным переключателем, подвижные контакты которого подключены к обмотке возбуждения, одна пара неподвижных контактов подсоединена к делительной обмотке младшей декады, а другая пара неподвижных контактов подсоединена к отводам средней секции делительной обмотки старшей декады, при этом двухпозиционный переключатель соединен с устройством управления.
В таком делителе намотка обмотки возбуждения на ферромагнитном сердечнике младшей декады приводит к усложнению изготовления индуктивного делителя напряжения, увеличению входной емкости младшей декады и, как следствие, к повышению погрешности в области высоких частот.
2
Известен индуктивный делитель напряжения [А.с. СССР №909644, МКИ G 01 R 15/06, H 01 F 21/12. Опубл. 28.02.82, Бюл. №8 - 4 с.], выбранный в качестве прототипа, содержащий последовательно соединенные предыдущий и последующий делительные автотрансформаторы, выполненные на ферромагнитных сердечниках, спаренный коммутационный элемент между автотрансформаторами, устройство управления переключателями, два дополнительных резистора и двухпозиционный переключатель, подвижные контакты которого через дополнительные резисторы подключены к входу последующего автотрансформатора, а неподвижные контакты подсоединены к отводам средней секции предыдущего автотрансформатора.
Устройству присущи следующие недостатки:
1. Низкое быстродействие, обусловленное большим временем установления выходного напряжения индуктивного делителя напряжения. Это время, определяемое как длительность времени от момента подачи сигнала управления на изменение коэффициента передачи до момента времени, когда отклонение выходного напряжения от установившегося значения не превышает допустимого отклонения, равно
уст
п1
п2
t=t+t,
п1
п2
t и t - время переключения спаренного многопозиционного коммутационного элемента и двухпозиционного переключателя соответственно.
Эти времена могут достигать в зависимости от типа коммутаторов десятки и сотни миллисекунд.
2. Большие перенапряжения в нагрузке в переходном режиме. При изменении коэффициента передачи в переходном режиме двухпозиционный переключатель подключает последующий автотрансформатор и нагрузку к средним отводам предыдущего автотрансформатора. Напряжения на этих средних отводах превышают минимальное устанавливаемое напряжение предыдущего автотрансформатора в пять раз, а последующего автотрансформатора - в пятьдесят раз. Такие кратковременные перенапряжения могут привести к неисправности нагрузки и коммутационных элементов делителя.
Задачей полезной модели является повышение быстродействия и надежности индуктивного делителя напряжения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в индуктивном делителе напряжения, содержащем последовательно соединенные предыдущий и последующий делительные автотрансформаторы, выполненные на ферромагнитных сердечниках, спаренный коммутационный элемент между автотрансформаторами, устройство управления переключателями, два дополнительных резистора, подключенных к входу последующего автотрансформатора, между
автотрансформаторами введены первый, второй, третий и четвертый электронные аналоговые коммутаторы, управляющие входы которых соединены с устройством управления, при этом аналоговые входы первого аналогового коммутатора соединены с четными, начиная с нулевого земляного, отводами предыдущего автотрансформатора, нечетные отводы которого соединены с аналоговыми входами второго аналогового коммутатора, выход первого аналогового коммутатора соединен с входом закрытого канала третьего аналогового коммутатора и входом открытого канала четвертого аналогового коммутатора, выход второго аналогового коммутатора соединен с входом открытого канала третьего и входом закрытого канала четвертого аналоговых коммутаторов, выходы которых соединены с первым и вторым дополнительными резисторами соответственно.
Быстродействие заявляемого устройства определяется временем переключения спаренного многопозиционного коммутационного элемента, электронных аналоговых коммутаторов и последовательностью работы последних. В заявляемом устройстве повышение быстродействия достигается за счет использования электронных аналоговых коммутаторов и их параллельной работы со спаренным многопозиционным коммутационным элементом.
п1
Как известно, время переключения у современных электронных аналоговых коммутаторов составляет десятки-сотни микросекунд [С.В.Якубовский и др. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы / Под ред. С.В.Якубовского. - М.: Радио и связь, 1985. - С.371]. В отличие от этого время переключения механических или электромеханических коммутационных элементов (реле) равно десяткам - сотням миллисекунд. Поэтому при параллельной (синхронной) работе электронных аналоговых коммутаторов и спаренного многопозиционного коммутационного элемента быстродействие будет определяться временем переключения последнего, т.е. временем t.
i
H
вх
вх
Использование в заявляемом устройстве электронных аналоговых коммутаторов позволяет устранить и перенапряжения в нагрузке. На фиг.1 приведена схема коммутации отводов предыдущего делительного автотрансформатора L1 при изменении коэффициента передачи. Предыдущий автотрансформатор представлен в виде последовательного соединения ЭДС секций е, включенных между отводами n, n+1, где . С целью упрощения на фиг.1 показана схема коммутации только нижних отводов 0, 1, 2 и 3. При указанных состояниях контактов K0-К3 многопозиционного коммутационного элемента, контактов (каналов) электронных аналоговых коммутаторов АК0-АК3 и подключении нагрузки Z к верхнему отводу последующего автотрансформатора L2 выходное напряжение равно 0,3U. При установке другого выходного напряжения, например, 0,1 U переключение всех контактов происходит синхронно. Учитывая, что для любого коммутатора время срабатывания (замыкания) всегда больше времени отпускания (размыкания), то первыми размыкаются (закрываются) аналоговые коммутаторы АК2 и АК3, затем замыкаются (открываются) аналоговые коммутаторы АК0 и АК1, подключая входы автотрансформатора L2 через резисторы R1 и R2 к нижним отводам 0, 1 автотрансформатора L1. Поэтому размыкание контактов К2 и К3 не приводит к существенному изменению магнитного потока в автотрансформаторе L2. В последнюю очередь замыкаются К0, К1 и система коммутации окончательно переходит в новое требуемое состояние.
вх
0
1
2
3
4
На фиг.2 приведены графики переходных процессов (для огибающей синусоидального напряжения) при U=1 В амплитудного значения. Момент времени t=0 соответствует приходу импульса запуска, инициирующего изменение коэффициента передачи. В заявляемом устройстве при t=t размыкаются контакты К2 и К3, а при t=t замыкаются контакты К0 и К1. В прототипе в этот момент времени срабатывает двухпозиционный переключатель, затем при t=t размыкаются контакты многопозиционного коммутационного элемента. В момент времени t=t замыкаются контакты
5
многопозиционного коммутационного элемента, устанавливающие новое состояние делителя. Однако на этом переходный режим в прототипе не завершается, так как двухпозиционный переключатель должен вернуться в исходное состояние. Размыкание двухпозиционного переключателя происходит при t=t. Таким образом, из фиг.2 видно, что время установления заявляемого устройства и прототипа соответственно равны
ср
отп
где t, t - время срабатывания и время отпускания многопозиционного коммутационного элемента.
21
2
1
Из (1) и (2) следует, что быстродействие заявляемого устройства повышается более, чем в два раза. Отметим также, что из фиг.2 видно другое важное достоинство заявляемого устройства - отсутствие перенапряжения (выброса) на выходе индуктивного делителя напряжения. В прототипе подключение последующего автотрансформатора в переходном режиме к отводам средней секции предыдущего автотрансформатора приводит к появлению выброса напряжения с амплитудой 0,5 В, в пять раз превышающей новое значение выходного напряжения. В противоположность этому в заявляемом устройстве в переходном режиме в интервале t=t-t, равному разности между временем срабатывания и временем отпускания многопозиционного коммутационного элемента, выходное напряжение не превышает нового установившегося значения. Уменьшение выходного напряжения в указанном выше интервале обусловлено падениями напряжений на резисторах. Такое уменьшение напряжения не оказывает негативного влияния на работу коммутаторов и нагрузки. Кроме этого повышение надежности заявляемого устройства обусловлено и резервированием соединений между автотрансформаторами: открытые (замкнутые) каналы аналоговых коммутаторов подключены параллельно замкнутым контактам многопозиционного коммутационного элемента.
0
0
2
4
В заявляемом устройстве параллельное переключение всех коммутаторов упрощает работу устройства управления, так как для инициализации процесса переключения от последнего требуется всего лишь одновременная выдача управляющих сигналов в момент времени t. В отличие от этого в прототипе структура и алгоритм работы устройства управления более сложные, так как последний при осуществлении полного цикла переключения формирует сигналы управления последовательно в моменты времени t, t, и t. Поэтому и повышается быстродействие заявляемого устройства. Эти выводы подтверждаются расчетными по формулам (1) и (2) и экспериментальными данными (см. таблицу). Как видно из таблицы время установления заявляемого устройства в 2,5 раза меньше времени установления прототипа.
Таким образом, в заявляемом устройстве введение четырех электронных аналоговых коммутаторов, у которых аналоговые входы первого аналогового коммутатора соединены с четными, начиная с нулевого земляного, отводами предыдущего автотрансформатора, нечетные отводы которого соединены с аналоговыми входами второго аналогового коммутатора, выход первого аналогового коммутатора соединен с входом закрытого канала третьего аналогового коммутатора и входом открытого канала четвертого аналогового коммутатора, выход второго аналогового коммутатора соединен с входом открытого канала третьего и входом закрытого канала четвертого аналоговых коммутаторов, выходы которых соединены с первым и вторым дополнительными резисторами соответственно, уменьшает время установления индуктивного делителя напряжения, т.е. увеличивает быстродействие, а также повышает его надежность.
На фиг.1 приведена упрощенная схема коммутации двухдекадного индуктивного делителя напряжения.
На фиг.2 представлены графики переходных процессов заявляемого устройства (сплошная линия) и прототипа (пунктирная линия).
На фиг.3 приведена принципиальная схема индуктивного делителя напряжения.
В таблице представлены расчетные и экспериментальные значения времени установления заявляемого устройства и прототипа.
Индуктивный делитель напряжения (фиг.3) представляет собой двухдекадный делитель напряжения, содержащий предыдущий 11 и последующий 12 делительные десятисекционные автотрансформаторы, выполненные на ферромагнитных сердечниках 13 и 14. Последующий автотрансформатор 12 соединен с предыдущим 11 посредством многопозиционного коммутационного элемента 15, первого 16, второго 17, третьего 18 и четвертого 19 электронных аналоговых коммутаторов и первого 20 и второго 21 дополнительных резисторов. Отводы 22-32 предыдущего автотрансформатора соединены как с многопозиционным коммутационным элементом 15, так и с первым 16 и вторым 17 аналоговыми коммутаторами. При этом четные отводы 22, 24, 26, 28, 30 и 32 соединены с аналоговыми входами первого аналогового коммутатора 16, а нечетные отводы 23, 25, 27, 29 и 31 - с аналоговыми входами второго аналогового коммутатора 17. Выход первого аналогового коммутатора 16 соединен с входом 33 закрытого канала третьего аналогового коммутатора 18 и с входом 34 открытого канала четвертого аналогового коммутатора 19, а выход второго аналогового коммутатора 17 - с входом 35 открытого канала третьего аналогового коммутатора 18 и входом 36 закрытого канала четвертого аналогового коммутатора 19. Выход третьего аналогового коммутатора 18 соединен с первым дополнительным резистором 20, а выход четвертого аналогового коммутатора 19 - со вторым дополнительным резистором 21, причем первый резистор 20 соединен с высокопотенциальным входом последующего автотрансформатора 12, а второй резистор 21 - с низкопотенциальным входом этого же автотрансформатора 12. Выходные отводы 37-47 последующего автотрансформатора 12 соединены с многопозиционным коммутационным
элементом 48, с которого снимается выходное напряжение. Многопозиционные коммутационные элементы 15 и 48 подключены к устройству управления 49, который также соединен с входами управления 50-53 электронных аналоговых коммутаторов 16-19.
В качестве электронных аналоговых коммутаторов 16-19 могут быть использованы интегральные аналоговые мультиплексоры "n×1", имеющие n аналоговых входов и один аналоговый выход.
вх
вх
вх
вх
вых
вх
П
1
Устройство работает следующим образом. Входное напряжение поступает на вход предыдущего делительного автотрансформатора 11. Так как десять секций этого автотрансформатора 11 расположены на общем ферромагнитном сердечнике 13, то в каждой из них наводится Э.Д.С., равная 0,1U. Таким образом, на отводах 22-32 дискретность выходного напряжения предыдущего автотрансформатора 11 равна 0,1U. Поэтому на вход последующего делительного автотрансформатора 12, выполненного на другом сердечнике 14, посредством спаренного многопозиционного коммутационного элемента 15 всегда поступает напряжение 0,1U. Следовательно, дискретность выходного напряжения индуктивного делителя напряжения, снимаемого с отводов 37-47 последующего автотрансформатора 12 при помощи многопозиционного коммутационного элемента 48, равна 0,01U. При указанных положениях многопозиционных коммутационных элементов 15, 48 на выходе делителя будет U=0,84U. Это напряжение соответствует установленному коэффициенту передачи К=0,84. Параллельно вышеуказанной основной цепи прохождения входного сигнала в устройстве существует другая дополнительная цепь, образованная аналоговыми коммутаторами 16-19 и дополнительными резисторами 20, 21. Так напряжение с отвода 31 через открытый канал второго аналогового коммутатора 17, представляющего собой мультиплексор "5×1", поступает на входы 35, 36 аналоговых коммутаторов 18 и 19. При установленном четном коэффициенте передачи предыдущего автотрансформатора 11 К=0,8 у третьего аналогового коммутатора 18, работающего как и четвертый
1
аналоговый коммутатор 19 в режиме мультиплексора "2×1", открыт канал с входом 35 и закрыт канал с входом 33, а у четвертого аналогового коммутатора 19 канал с входом 36 закрыт. Поэтому сигнал с отвода 31 предыдущего автотрансформатора 11 поступает через открытые каналы аналоговых коммутаторов 17 и 18 на первый дополнительный резистор 20. В то же время напряжение с отвода 30 предыдущего автотрансформатора 11 через открытый канал первого аналогового коммутатора 16, работающего в мультиплексном режиме "6×1", и открытый канал (вход 34) четвертого аналогового коммутатора 19 поступает на второй дополнительный резистор 21. Таким образом, третий 18 и четвертый 19 аналоговые коммутаторы обеспечивают согласное включение предыдущего 11 и последующего 12 автотрансформаторов. Изменение коэффициента передачи индуктивного делителя напряжения осуществляется по сигналам управления, поступающим с устройства управления 49. При установке нового коэффициента передачи предыдущего автотрансформатора 11, например, К=0,3 переключение его отводов происходит следующим образом. Сигналы на переключение многопозиционного коммутационного элемента 15 и на управляющие входы 50-53 аналоговых коммутаторов 16-19 поступают с устройства управления 49 одновременно. Из-за разности времен срабатывания и отпускания первыми закрываются каналы аналоговых коммутаторов 16 и 17, затем одновременно открываются каналы аналоговых коммутаторов 16 и 17, входы которых подключены к отводам 25, 26, и переключаются каналы аналоговых коммутаторов 18 и 19, вследствие чего отвод 26 подключается к первому дополнительному резистору 20, а отвод 25 - ко второму резистору 21. Последним переключается многопозиционный коммутационный элемент 15, подключаясь своими подвижными контактами к отводам 25 и 26. Во время переключения (срабатывания) многопозиционного коммутационного элемента 15 последующий автотрансформатор 12 оказывается подключенным к новой секции предыдущего автотрансформатора 11. Поэтому в переходном режиме
магнитный поток в сердечнике 14 сохраняется и перенапряжения на выходе делителя отсутствуют. Так как быстродействие аналоговых коммутаторов 16-19 превышает быстродействие многопозиционного коммутационного элемента 15 более, чем в тысячу раз, то время установления индуктивного делителя напряжения определяется только временем срабатывания многопозиционного коммутационного элемента 15. Малые паразитные параметры аналоговых коммутаторов 16-19 и их низкая стоимость не оказывают существенного влияния на точностные, массогабаритные и стоимостные характеристики заявляемого устройства.
Опытный экземпляр двухдекадного делителя был выполнен на ферромагнитных тороидальных сердечниках 80×50×20 мм из пермаллоя 79 НМ (магнитная проницаемость μ=120000, индукция В=0,4 Тл). Обмотки автотрансформаторов 11, 12 изготавливались одинаково из десяти равномерно скрученных в жгут проводов ПЭТВ-2 диаметра 0,25 мм. Число витков - 300. Аналоговые коммутаторы 16, 17 были выполнены на интегральном мультиплексоре ADG 508, а аналоговые коммутаторы 18, 19 - на интегральном мультиплексоре ADG 409. Номинальные значения резисторов 20, 21 равны 2 кОм. Многопозиционные переключатели 15 и 48 были выполнены на основе электромагнитных реле РЭС 47. В устройстве управления использовались цифровые микросхемы серии К 1533.
Экспериментальные исследования проводились путем измерения параметров переходного процесса посредством осциллографа С1-48. На вход делителя подавалось напряжение 1 В амплитудного значения частотой 1 кГц с генератора синусоидальных сигналов ГЗ-109.
Таблица
Индуктивный делитель напряжения
Тип устройства
Время установления t<sub>уст,</sub> мс
Расчетное
Экспериментальное
Заявляемое устройство
15
19
Прототип
40
47