ВОЛЬТМЕТР

Настоящая полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к электроизмерительным приборам, предназначенным для измерения напряжения переменного тока, основанным на преобразовании измеряемого напряжения переменного тока в постоянный ток.
Известны вольтметры переменного тока, содержащие двухполупериодный выпрямитель, выполненный на полупроводниковых диодах, например, по мостовой схеме, и амперметр (миллиамперметр или микроамперметр) постоянного тока включенный в диагональ моста. Другая диагональ моста служит входом вольтметра. Диапазон измерения такого вольтметра может регулироваться резистором, включенным между одной из входных клемм и мостовой схемой (Волгин Л.И., Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М., «Сов. Радио», 1977, с.28, рис.2.2).
Недостатки таких вольтметров связаны с нелинейной вольтамперной характеристикой полупроводниковых диодов, а также со значительной температурной зависимостью вольтамперной характеристики полупроводниковых диодов от температуры. Это приводит к значительной погрешности вольтметров в особенности в области малых значений измеряемого сигнала.
Для уменьшения температурной погрешности используют термозависимые элементы, включаемые либо последовательно с выпрямительным мостом, либо параллельно мосту, либо включают последовательно с измерительным прибором (микроамперметром) сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом (Таранюк В.А., Переносные многопредельные комбинированные приборы. М., "Энергия", 1970, с.25-27, рис.16).
Известные способы компенсации температурной погрешности таких схем уменьшают ее до уровня порядка 1.5-2.0% на 10°С, что не всегда приемлемо.
Известны также вольтметры, использующие в качестве двухполупериодного выпрямителя полупроводниковые транзисторы, работающие в усилительном режиме (Волгин Л.И., Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М. «Сов. Радио», 1977, с.44-46, рис.2.17, 2-18).
Схемы, использующие усилительный режим транзисторов не решают задачи уменьшения температурной погрешности вольтметра, так как характеристики полупроводниковых транзисторов в значительной степени изменяются при изменении температуры окружающей среды.
Наиболее близким к заявленному вольтметру является вольтметр, содержащий две пары транзисторов, в каждой паре один из транзисторов прямой проводимости (p-n-p), а другой - обратной (n-p-n). Эмиттеры транзисторов первой пары объединены и служат первым входом вольтметра, эмиттеры транзисторов второй пары также объединены и служат вторым входом вольтметра. Коллекторы транзисторов разных пар одной проводимости соединены друг с другом, к точкам их соединения подключен измерительный прибор, выполненный в виде вольтметра постоянного тока. Базы транзисторов первой пары через соответствующие резисторы подключены ко второму входу вольтметра, а базы транзисторов второй пары через соответствующие резисторы подключены к первому входу вольтметра, (см. Волгин Л.И., Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное, М., "Сов. Радио", 1977, стр.44-46, рис.2-19).
Недостатки прототипа состоят в следующем. В процессе работы вольтметра один из транзисторов в каждой из пар транзисторов открывается (на время одного полупериода измеряемого напряжения), а второй закрывается. Во время второго полуперида измеряемого напряжения второй транзистор каждой пары открывается, а первый - закрывается. При этом напряжение на электродах закрытых в данный момент транзисторов практически равно измеряемому напряжению, которое может быть десятки или даже сотни вольт. Вследствие высокого напряжения, приложенного к электродам транзисторов, токи утечки через электроды закрытых транзисторов (неуправляемые токи) достигают значительных величин, кроме того, эти токи зависят от температуры окружающей среды. Все это приводит к погрешности измерения, а также к зависимости показаний вольтметра от температуры окружающей среды.
Целью настоящего технического решения является повышение точности вольтметра в широком диапазоне температур окружающей среды.
Поставленная цель достигается тем, что вольтметр, содержащий два транзистора разного типа проводимости, эмиттеры которых объединены и служат первым входом вольтметра, измерительный прибор, включенный между коллекторами транзисторов, снабжен двумя резисторами, первые выводы которых подключены соответственно к выводам коллекторов транзисторов, вторые выводы резисторов соединены вместе и служат вторым входом вольтметра, базы транзисторов объединены и через дополнительный резистор соединены со вторым входом вольтметра, измерительный прибор выполнен в виде амперметра постоянного тока.
Предложенное выполнение вольтметра позволяет повысить точность измерения в широком температурном диапазоне окружающей среды. Это связано с тем, что в вольтметре транзисторы как в открытом состоянии, так и в закрытом состоянии, работают при низких напряжениях, независимо от величины измеряемого сигнала. Это приводит к уменьшению токов утечки через электроды транзисторов, а также к уменьшению зависимости показаний вольтметра от температуры.
На фиг.1 показана схема предложенного вольтметра.
На фиг.2 показан вариант выполнения предложенного вольтметра, в котором транзисторы используются в инверсном включении.
Вольтметр содержит транзисторы 1 и 2 (см. фиг.1) разной проводимости (один типа p-n-p, второй - n-p-n), клемму 3, служащую первым входом вольтметра, резисторы 4 и 5, вспомогательный резистор 6, амперметр 7, клемму 8, служащую вторым входом вольтметра. Коллекторы транзисторов 1 и 2 подключены соответственно с выводами резисторов 4 и 5. Вторые выводы резисторов 4 и 5 соединены между собой и подключены к клемме 8, которая служит вторым входом вольтметра. Базы транзисторов 1 и 2 соединены между собой и через вспомогательный резистор 6 подключены к клемме 8. Эмиттеры транзисторов 1 и 2 объединены и подключены к клемме 3 вольтметра. Амперметр 7 включен между коллекторами транзисторов 1 и 2.
При выполнении вольтметра согласно фиг.2 его схема отличается от схемы фиг.1 тем, что транзисторы 1 и 2 используются в так называемом инверсном включении, при котором функции коллектора транзистора выполняет его эмиттер, а функции эмиттера - его коллектор. В соответствии с этим, в схеме фиг.2 выводы эмиттеров транзисторов 1 и 2 подключены соответственно к выводам резисторов 4 и 5, а выводы коллекторов транзисторов 1 и 2 соединены между собой и подключены к входной клемме 3 вольтметра. Несмотря на то, что в этом этой схеме выводы эмиттеров и коллекторов транзисторов поменялись местами, схема фиг.2 по своей функции соответствует схеме фиг.1, так как в схеме фиг.2 эмиттер транзистора выполняет функции коллектора, а коллектор - функции эмиттера. Такое включение транзистора известно, при этом коэффициент усиления транзисторов уменьшается (что не имеет значения в данном случае, так как транзисторы используются в ключевом, а не в линейном режиме), но падение напряжения на переходе коллектор эмиттер открытого транзистора значительно уменьшается (до значений 1 мВ и менее).
В схемах согласно фиг.1 и фиг.2 используются стандартные полупроводниковые транзисторы и резисторы. В качестве амперметра 7 используется стандартный амперметр (микроамперметр, миллиамперметр) постоянного тока, например, магнитоэлектрической системы. Кроме того, в качестве амперметра может быть использован стандартный цифровой амперметр (микроамперметр, миллиамперметр) постоянного тока интегрирующего типа.
Вольтметр согласно фиг.1 работает следующим образом. Входной электрический сигнал в виде напряжения переменного тока, например, синусоидальной формы кривой поступает на входные клеммы 3 и 8 вольтметра. Во время действия положительной полуволны входного сигнала напряжение с клеммы 8 через резистор 6 поступает на базы транзисторов 1 и 2, эмиттеры которых присоединены к клемме 3. При этом под воздействием на переходы база-эмиттер положительной полуволны измеряемого сигнала транзистор 2 (n-p-n типа) открывается, а транзистор 1 (p-n-p типа) закрывается. Ток от клеммы 8 протекает через резистор 4, через амперметр 7, открытый транзистор 2 к клемме 3.
Во время действия отрицательной полуволны входного сигнала транзистор 1 открывается, а транзистор 2 - закрывается. Ток от клеммы 3 через открытый транзистор 1 протекает через амперметр 7, резистор 5 к клемме 8. Таким образом, ток через амперметр 7 протекает в одном направлении независимо от действующей полуволны (отрицательной или положительной) входного сигнала. Так как амперметр магнитоэлектрической системы (или цифровой амперметр интегрирующего типа) по принципу действия реагирует на среднее значение тока, то его показания пропорциональны средневыпрямленному значению входного сигнала.
При выполнении вольтметра согласно фиг.2 он работает так, как описано выше. Отличие состоит лишь в том, что транзисторы 1 и 2 включены в инверсном режиме. Как известно, этот режим характеризуется тем, что при работе в ключевом режиме остаточное напряжение на переходе эмиттер-коллектор открытого транзистора составляет менее 1 мВ. Это позволяет еще более повысить точность измерения и температурную стабильность вольтметра.
Преимущества предложенного вольтметра в сравнении с прототипом состоят в следующем.
В прототипе нагрузка (измерительный прибор) включена между коллекторами двух пар транзисторов, которые в процессе работы поочередно замыкаются (открываются) - по одному транзистору в каждой из пар. При этом измерительный прибор оказывается подключенным непосредственно к входным клеммам вольтметра. Таким образом, в качестве измерительного прибора в прототипе необходимо применять прибор с большим внутренним сопротивлением, т.е. вольтметр постоянного тока. Амперметр принципиально нельзя использовать в схеме прототипа, так как в этом случае ток в цепи ничем не ограничивается, и транзисторы будут выведены из строя.
Указанная особенность схемы прототипа приводит к следующим недостаткам. Измеряемое напряжение (десятки или даже сотни вольт) оказывается приложенным к электродам тех двух транзисторов, которые в данный момент времени закрыты. Высокое напряжение, приложенное к переходам коллектор-эмиттер и база-эмиттер закрытых транзисторов вызывает и повышенный ток утечки через эти переходы, величина которого зависит в значительной степени от температуры окружающей среды. Это приводит к погрешности прототипа, которая изменяется в функции температуры.
В предложенном вольтметре напряжение на переходе коллектор-эмиттер закрытого транзистора равно падению напряжения на амперметре (обычно несколько десятков милливольт) плюс падению напряжения на открытом транзисторе (несколько милливольт). Напряжение на переходе база-эмиттер закрытого транзистора (вследствие объединения базовых электродов двух транзисторов и эмиттерных переходов этих транзисторов) равно напряжению на переходе база-эмиттер открытого транзистора (порядка 0.7 В для кремниевого транзистора). Таким образом, в предложенном вольтметре транзисторы, как в открытом состоянии, так и в закрытом состоянии, работают при низких напряжениях, независимо от величины измеряемого сигнала. Это приводит к уменьшению токов утечки через электроды транзисторов, а также к уменьшению зависимости показаний вольтметра от температуры.
Использование транзисторов в инверсном включении позволяет уменьшить остаточное напряжение на открытом транзисторе до значений менее одного милливольта, что в еще большей степени позволяет повысить точность и температурную стабильность вольтметра.
На практике реализация предложенной схемы позволила получить погрешность измерения напряжения переменного тока менее 0.1% в диапазоне сигналов от 0 до 600 В, температурную погрешность менее 0.1%/10°С, что ранее было недостижимо для известных аналогичных схем.