Zespół Szkół nr 9 im. Romualda Traugutta

w Koszalinie

Temat: Badanie przetworników napięcia zmiennego na stałe.

Koszalin rok szk. 2002/2003

Wiadomości wstępne.

W technice pomiarowej często zachodzi potrzeba przetwarzania napięcia zmiennego na napięcie stałe. Wynika to z  konieczności odczytu mierzonej wartości sygnału napięcia zmiennego za pomocą miernika napięcia stałego (wskaźnik wychyłowy lub wskaźnik cyfrowy).

Wartość sygnału napięcia zmiennego o przebiegu okresowym i dowolnym kształcie może być scharakteryzowana za pomocą: wartości szczytowej, wartości średniej lub wartości skutecznej.

Wartość szczytowa (maksymalna) I_max, U_max jest największą bezwzględną wartością przebiegu napięcia lub prądu w ciągu okresu T (rys.1).

Rys. 1. Określenie wartości szczytowej (maksymalnej).

Wartość średnia napięcia zmiennego o przebiegu okresowym wyraża się należnością

Wartość średnia dla przebiegów symetrycznych jest równa zeru. Dlatego dla przebiegu sinusoidalnego u(t) = U_maxsin ωt wartość średnią określa się za pół okresu (rys. 2).

Rys. 2. Określenie wartości średniej.

W technice pomiarowej powszechnie używa a jest wartość średnia bezwzględna, która jest odnoszona do przebiegu wyprostowanego
określona za cały okres (rys. 3). Wyraża się ona zależnością dla przebiegu sinusoidalnego:

Rys. 3. Określenie wartości skutecznej sygnału zmiennego.

Zarówno wartość średnia, jak i wartość skuteczna sygnału w zależności od wartości maksymalnej zależy przede wszystkim od kształtu sygnału. Mierniki dla przebiegów sinusoidalnych mierzą zwykle wartość średnią lub wartość szczytową, natomiast wyskalowane są w wartości skutecznej. Dla sygnałów o innym kształcie odczyt wymaga uwzględnienia poprawki wynikającej z różnicy kształtu przebiegu.

Kształt przebiegu
Wartość średnia	0	0,318	0,636	0	0,500
Wartość skuteczna U	0,707	0,500	0,707	1	0,707

Tabela 1. Zależność wartości średniej i wartości skutecznej od wartości maksymalnej dla różnego kształtu sygnału.

1. Zasada działania i parametry biernego przetwornika AC-DC.

1. Działanie diodowego przetwornika AC-DC.

Bierny przetwornik AC-DC zastosowany w stanowisku pomiarowym, składa się z diodowego, jednopołówkowego prostownika i dolnoprzepustowego filtru RC. Układ przetwornika przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Schemat diodowego przetwornika AC-DC.

Zmienny sygnał sinusoidalny jest prostowany prze diodę D tzn. przepuszczana jest tylko dodatnia połówka sygnału wejściowego. Pierwsza połówka sinusoidy ładuje kondensator C do wartości maksymalnej U_max. Kondensator C ładuje się prądem I_cład i w tym czasie płynie prąd wejściowy I_we (rys.5).

Rys. 5. Obwód prądu ładowania kondensatora C.

Ładowanie kondensatora C odbywa się szybko, ponieważ obwód ładowania ma małą stałą czasową (iloczyn pojemności C i małej rezystancji diody). W czasie trwania ujemnej połówki dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, ponieważ na anodzie diody występuje ujemne napięcie wejściowe a na katodzie występuje dodatnie napięcie naładowanego kondensatora U_wyj. W tym czasie kondensator powoli rozładowuje się poprzez opornik R, ponieważ stała czasowa τ = RC jest duża.

Rys. 6. Obwód rozładowania kondensatora C.

Przebiegi czasowe napięć i prądów w poszczególnych obwodach, przedstawiony jest na rys. 7.

Rys. 7. Przebiegi czasowe przetwornika AC-DC.

t_ł - czas łasowania kondensatora

t_roz - czas rozładowania kondensatora

t_d - czas doładowania kondensatora

2. Parametry diodowego przetwornika AC-DC.

W celu jakościowego określenia poszczególnych przetworników AC-DC, definiuje się kilka podstawowych parametrów, które są przedmiotem pomiarów w niniejszym ćwiczeniu.

1. Liniowość przetwarzania.

2. Impedancję wejściową.

3. Zakres częstotliwości pracy.

1. Liniowość przetwarzania.

Każda dioda półprzewodnikowa jest elementem nieliniowym, szczególnie przy małych napięciach przewodzenia. Bardzo duża nieliniowość dla diod krzemowych występuje przy napięciach mniejszych niż 0,5V÷0,7V natomiast dla diod germanowych przy napięciach mniejszych niż 0,15V÷0,3V. Z tego powodu zastosowanie konwencjonalnych diod półprzewodnikowych w układach przetworników w zakresie małych napięć jest ograniczona.

Rys. 8.Charakterystyka diod G-dioda germanowa, K-dioda krzemowa.

Liniowość przetwarzania wyraża się za pomocą charakterystyki przejściowej U_wy = f (U_we). Jej wykres powinien być linią prostą tzn. że przyrosty napięcia wejściowego Δ_Uwe powinny powodować takie same przyrosty napięcia wyjściowego Δ_Uwy.

Rys. 9. Charakterystyka przejściowa przetwornika AC-DC.

Jak widać na rys. 9 charakterystyka przejściowa rzeczywistego przetwornika napięcia zmiennego na stałe (linia ciągła) nie jest linią prostą w zakresie małych napięć wejściowych (tzw. próg). Przyrosty napięć wejściowych nie powodują takich samych przyrostów napięć wyjściowych w całym zakresie.

2. Impedancja wejściowa.

Istotnym parametrem przetwornika napięcia zmiennego na stałe jest impedancja wejściowa. Wejście przetwornika nie powinno obciążać obwodu elektronicznego w punkcie pomiaru napięcia zmiennego. Zaletą diodowego przetwornika AC - DC jest stosunkowo duża impedancja wejściowa  w szerokim zakresie częstotliwości. Impedancję wejściową określa się wg prawa Ohma

R_we =
[kΩ]

Prąd wejściowy pobierany z obwodu mierzonego jest stosunkowo mały, ponieważ płynie tylko wtedy, gdy doładowywany jest kondensator C patrz rys. 7.

3. Zakres częstotliwości pracy.

Zakres częstotliwości pracy przetwornika napięcia zmiennego na stałe można określić jako pasmo częstotliwości, przy którym przetwornik działa poprawnie tzn. liniowość i dokładność przetwarzania mieszczą się w założonych parametrach. Dolną i górną częstotliwość graniczną wyznacza się z charakterystyki częstotliwościowej w punktach, przy których napięcie wyjściowe (stałe) spada o 3dB w odniesieniu do wartości maksymalnej.

Rys. 10. Charakterystyka częstotliwościowa i pasmo pracy przetwornika.

Dolna częstotliwość pracy przetwornika jest ograniczona stałą czasową filtru RC. W czasie trwania ujemnych połówek sygnału wejściowego dioda D rozładowuje się do małej wartości, ponieważ czas rozładowania jest długi patrz rysunek poniżej.

Rys. 11. Wpływ częstotliwości na sygnał wyjściowy f₁ - częstotliwość większa,
f₂ -częstotliwość mniejsza.

Górna częstotliwość graniczna zależy od parametrów zastosowanej diody. Złącze p-n spolaryzowanego w kierunku zaporowym posiada pewną pojemność. Przy wysokich częstotliwościach dioda traci swe właściwości prostownicze i zachowuje się jak kondensator. Z tego powodu, do przetworników AC-DC powinno stosować się diody o wysokiej częstotliwości granicznej tzn. takie, których pojemności złącza p-n są jak najmniejsze.

Rys. 12.Schemat zastępczy diody dla wysokich częstotliwości.

2. Zasada działania i parametry aktywnego przetwornika AC-DC.

Do najpoważniejszych wad przetworników diodowych należą:

• nieliniowość charakterystyki przejściowej

• brak wzmocnienia

Nieliniowość charakterystyki przejściowej powoduje, że przy niższych napięciach, pomiary są obarczone są dużym błędem. Można temu zaradzić stosując wzmacniacz operacyjny z odpowiednio dobranym układem ujemnego sprzężenia zwrotnego. W ćwiczeniu wybrano układ przetwornika napięcia zmiennego na stałe, z zastosowaniem wzmacniacza operacyjnego, któremu w obwodzie sprzężenia zwrotnego wstawiono diodę.

Rys. 13. Przetwornik ze wzmacniaczem operacyjnym.

Dioda D jest włączona w obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Dla małych sygnałów dioda ma dużą rezystancję a ujemne sprzężenie zwrotne jest małe powoduje to, że wzmocnienie wzmacniacza jest bardzo duże. Ze wzrostem napięcia wejściowego rezystancja diody maleje i wzmocnienie wzmacniacza także maleje. Taki zabieg powoduje, że charakterystyka przejściowa przetwornika jest liniowa. Dla ujemnych połówek napięcia wejściowego (dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym) wzmocnienie wzmacniacza jest tak duże, że wchodzi on w zakres nasycenia, co jest zjawiskiem niekorzystnym. W celu wyeliminowania takiej możliwości stosuje się jeszcze jedną diodę w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, która jest spolaryzowania w kierunku przewodzenia dla ujemnych połówek sygnału i wprowadza silne ujemne sprzężenie zwrotne.

Rys. 14. Układ przetwornika aktywnego.

Na rysunku 14 przestawiono układ aktywnego przetwornika napięcia zmiennego na stałe z diodą D₂ zapobiegającą nasycaniu się wzmacniacza dla ujemnych połówek napięcia wejściowego. Wzmacniacz operacyjny pracuje w układzie odwracającym, który objęty jest pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego złożonego z rezystorów R₁ i R₂ wyznaczających wzmocnienie wzmacniacza równe K­_u =
. Takie rozwiązanie (charakterystyczne dla wzmacniacza odwracającego) powoduje, że rezystancja wejściowa tego przetwornika jest równa R₁. Przetworniki aktywne pracują na ogół w zakresie częstotliwości akustycznych.

3. Przetwornik napięcie - częstotliwość (U/f).

Przetworniki U/f są projektowane jako przystawki pomiarowe wykorzystywane w multimetrach lub systemach pomiarowych. Typowy scalony przetwornik U/f posiada następujące cech:

• bardzo dobra liniowość charakterystyki dla pełnego zakresu przetwarzania

• duża rezystancja wejściowa

• mały pobór mocy

• możliwość pracy jako przetwornik prąd - częstotliwość

• mała liczba dodatkowych elementów zewnętrznych

• mały dryft temperaturowy

• zakres częstotliwości ustalony poprzez wartości zewnętrznych elementów RC

• łatwość dopasowania wyjścia przetwornika do dowolnego standardu sygnałów.

Przetwornik U/f można także zbudować przy użyciu przerzutnika monostabilnego. Można również do tego celu wykorzystać układy scalone działające identycznie jak przetworniki U/f. Chodzi tu o generatory przestrajane napięciem (VCO-ang. voltage controlled oscillator), posiadające z reguły bardzo dużą liniowość charakterystyki przestrajania. Generatory te są stosowane głównie w układach pętli fazowej i przetwornikach analogowo-cyfrowych.

Jako przykładowy wybrano układ NE 566 firmy Signetics - jeden z najbardziej popularnych generatorów sterowanych napięciem. Układ tan jest oscylatorem RC o dużej stabilności, generującym przebiegi trójkątne i prostokątne w szerokim zakresie częstotliwości: od pojedynczych herców do 1 MHz. Zależność częstotliwości pracy od napięcia sterującego jest bardzo liniowa i pozwala na bardzo głęboką modulację FM w stosunku 10 do 1.

Rys. 15. Schemat blokowy i aplikacyjny układu NE 566.

Jeśli rezystancja R₁ jest zawarta w zakresie 2 kΩ do 20 kΩ, to częstotliwość pracy generatora określa uproszczona zależność:

f = 2

Kondensator 1 nF między wyprowadzeniami 5 i 6 zapobiega szkodliwym oscylacjom sterowanego źródła prądowego, które jest głównym blokiem generatora 566. Wykorzystywanie tej aplikacji jako przetwornika U/f posiada jednak dwie wady. Pierwsza z nich jest wąski zakres napięcia wejściowego. Według zaleceń producenta napięcie to powinno spełniać zależność:

0,75

Dla napięcia zasilającego 12V napięcie sterujące może więc przyjmować tyko wartości z przedziału 9 - 12V. Drugą wadą jest fakt, że ze wzrostem napięcia sterującego częstotliwość wyjściowa maleje.

Można się jednak pozbyć obu tych niedogodności jednocześnie stosując prosty układ wzmacniacza sumacyjnego na wzmacniaczu operacyjnym. Wartości napięć i rezystancji w tym układzie są tak dobrane, że dla wejściowego napięcia rosnącego od 0 do 12V napięcie wyjściowe maleje od 12 do 9V. Otrzymujemy więc przetwornik U/f, w którym częstotliwość wyjściowa rośnie ze wzrostem napięcia wejściowego, a zakres tego napięcia wynosi 0 do 12V.

2

2

Badanie przetworników AC - DC

---