Piotr Drobiec

I rok EKA/informatyka

Pomiarowe dzielniki napięcia i prądu.

Dzielniki są przetwornikami elektrycznymi napięcia mierzonego U1 na inne, mniejsze napięcie U2. Dzielnik napięcia jest czwórnikiem, który zapewnia uzyskanie określonego stosunku między napięciem wejściowym U1 i wyjściowym U2. Stosunek ten (oznaczany przez K) nosi nazwę przekładni dzielnika i wynosi:

K =

Dzielniki napięć buduje się z elementów biernych typu rezystancyjnego, pojemnościowego lub indukcyjnościowego. Są one wykonywane jako oddzielne przetworniki pomiarowe lub jako elementy składowe przyrządów i przetworników pomiarowych. Rozpatrzmy te trzy rodzaje dzielników.

1.Dzielniki rezystancyjne.

Najprostszy dzielnik napięcia jest szeregowym połączeniem dwóch oporników R1 i R2 (rys.1). W stanie jałowym przekładnia dzielnika przy prądzie stałym jest równa:

K = = =1+

Rys.1.Układ rezystancyjnego dzielnika napięcia.

Przy skończonej wartości pominiętej rezystancji obciążenia przekładnia dzielnika jest inna (K') i zmienia się wraz z

wartością tej rezystancji. Popełniony jest w związku z tym błąd względny:

δ=

Oprócz tego błędu występuje także błąd zależny od dokładności oporników tworzących dzielniki:

δ= (K - 1)(δ -δ)

Całkowity błąd względny:

δ= δ+ δ

Przy prądzie przemiennym przekładnia dzielnika:

K = = 1 +

przy czym Z1, Z2 - impedancja poszczególnych części dzielnika, w których uwzględniono parametry resztkowe L i C. Istnienie składowych reaktancyjnych powoduje, że przekładnia dzielnika zależy od częstotliwości napięcia zasilającego. Eliminacja błędu częstotliwościowego jest możliwa wówczas, gdy jednocześnie:

= =

przy czym: L1, L2, C1, C2 - indukcyjności i pojemności odpowiednich części dzielnika. Spełnienie powyższej zależności jest możliwe wtedy, kiedy oporniki są tak nawinięte, że R1/L1 = R2/L2, oraz kiedy są włączone kondensatory o takiej pojemności, że R1C1 = R2C2. Tak skonstruowany dzielnik napięcia nosi nazwę skompensowanego częstotliwościowo. Wykonuje się dzielniki o kilku nastawianych w sposób dyskretny wartościach przekładni (rys.2).

Rys.2.Schemat nastawnego w sposób dyskretny dzielnika napięcia.

Dokładność rezystancyjnego dzielnika napięcia bezpośrednio zależy od dokładności wykonania oporników, z których dzielnik jest zbudowany. Konstruowanie dokładnych dzielników rezystancyjnych obejmuje takie same zagadnienia konstrukcyjne, jakie występują przy wykonywaniu oporników wzorcowych wielowymiarowych. Dzielniki napięcia rezystancyjne o przeciętnej dokładności są wykonywane w klasach dokładności 0,01; 0,02; 0,05. Rezystancyjne dzielniki napięcia znajdują zastosowanie przede wszystkim przy pomiarze napięcia stałego metodą kompensacyjną.

2.Dzielniki pojemnościowe.

Dzielnik pojemnościowy (rys.3) jest zbudowany z połączonych szeregowo kondensatorów C1 i C2.

Rys.3.Schemat zastępczy pojemnościowego dzielnika napięcia.

Przekładnię takiego dzielnika z uwzględnieniem rezystancji R1 i R2 izolacji kondensatorów opisuje wzór:

K = _________________

W ogólnym przypadku jest ona funkcją częstotliwości. Jednakże dla dostatecznie dużych częstotliwości wR1C1 << 1 oraz wR2C2 >> 1 i wówczas:

K =

Z tych powodów dzielniki pojemnościowe mogą być stosowane w szerokim zakresie częstotliwości. Dotychczasowe rozważania odnosiły się do stanu jałowego dzielnika pojemnościowego. Skończona wartość rezystancji obciążenia powoduje również błędy częstotliwościowe przekładni. Dzielniki pojemnościowe stosuje się przy pomiarach wysokich napięć przemiennych za pomocą woltomierzy elektrostatycznych. Dokładność pomiarowych dzielników pojemnościowych jest przeciętna: klasy 0,5; 1; 3. Pojemnościowych dzielników pomiarowych nie używa się przy pomiarach prądu stałego.

3.Dzielniki indukcyjnościowe.

Cechą charakterystyczną dzielników indukcyjnościowych jest to, że ich obwody wyjściowe i wejściowe są sprzężone indukcyjnie. Na rys.4 przedstawiono schemat ideowy takiego dzielnika, który przypomina schemat autotransformatora z rdzeniem ferromagnetycznym. Aby zapewnić dużą dokładność i stałość przekładni dzielnika, jego konstrukcja powinna mieć cechy zbliżone do transformatora idealnego. Wówczas przekładnia

K = = n

przy czym: N1, N2 - odpowiednio ogólna liczba zwojów i liczba zwojów tej części uzwojenia, z której jest zbierane napięcie wyjściowe.

a). b).

Rys.4.Schematy indukcyjnościowych dzielników napięcia: a).prostego; b).dekadowego.

Obwód magnetyczny powinien być zamknięty i mieć taki kształt, aby rozkład strumienia był równomierny, a jego rozproszenie jak najmniejsze. Najczęściej rdzeń wykonuje się jako pierścieniowy. Zwija się go multifilarnie z cienkiej blachy (ok. 0,03mm) permalojowej (a więc o bardzo dużej przenikalności magnetycznej). Materiał stosowany na rdzenie powinien odznaczać się małymi stratami magnetycznymi, gdyż mogą one powodować dodatkowe błędy dzielnika. Multifilarne nawijanie zapewnia wyrównanie elektrycznych właściwości uzwojeń stopni dekady zrealizowanej jako jeden autotransformator, ponieważ dzięki multifilarności każdy przewód wiązki stanowi uzwojenie jednego stopnia dekady, a jest on wyrównany co do rezystancji i sprzężenia z pozostałymi. Również zmiana częstotliwości powoduje powstawanie błędu przekładni. Z tego powodu dzielniki indukcyjnościowe stosuje się w zasadzie w zakresie częstotliwości akustycznych. Istotną zaletą tych dzielników jest stosunkowo mała zależność przekładni od obciążenia. Stosowane są również wielodekadowe dzielniki indukcyjnościowe (rys.4b). W układzie takiego dzielnika liczba zwojów dekady bocznikującej powinna być równa liczbie zwojów sekcji bocznikowanej. Wszystkie podane konstrukcyjne i technologiczne starania mają zapewnić szczególną cechę indukcyjnym dzielnikom napięcia - liczalność przekładni tzn. właściwość oznaczającą, że przekładnia zwojowa (wynikająca z liczby zwojów) i przekładnia elektryczna (stosunek napięć) są sobie równe z dużą dokładnością. Niedokładność nastawionego stosunku (przekładni) jest dla indukcyjnych dzielników napięcia rzędu 10 (nawet mniejsza).

Kaskadowość układu indukcyjnych dzielników napięcia polega na tym, że napięcie jednego stopnia wyższej dekady jest doprowadzone do wejścia autotransformatora niższej dekady, a następnie dzielone w stosunku dziesiętnym. Kaskadowe połączenie N dekad zapewnia możliwość nastawienia przekładni z rozdzielczością 10. Jest to potrzebne ze względu na sposób stosowania indukcyjnych dzielników napięcia w układach pomiarowych. Napięcie wejściowe może być rzędu kilkudziesięciu lub nawet kilkuset woltów, zależne od częstotliwości. Zakres częstotliwości może wynosić od ok. 10 do ok. 10000 Hz. Impedancja wejściowa jest nie mniejsza niż 50 kΩ, wyjściowa zależy od nastawionego przełożenia. Indukcyjne dzielniki napięcia mają zastosowanie przy pomiarach prądu przemiennego najwyższej dokładności. Zastosowanie tego typu dzielników obejmuje różne zagadnienia pomiarów bardzo dokładnych prądu przemiennego, np. sprawdzanie przekładników napięciowych, układy mostkowe do pomiaru impedancji.

6

---