Измерение напряжения на практике приходится выполнять довольно часто. Напряжение измеряют в радиотехнических, электротехнических устройствах и цепях и т.д. Вид переменного тока может быть импульсным или синусоидальным. Источниками напряжения являются или генераторы тока.
Напряжение импульсного тока имеет параметры амплитудного и среднего напряжения. Источниками такого напряжения могут быть импульсные генераторы. Напряжение измеряется в вольтах, имеет обозначение «В» или «V». Если напряжение переменное, то впереди ставится символ «~ », для постоянного напряжения указывается символ «-». Переменное напряжение в домашней бытовой сети маркируют ~220 В.
Это приборы, предназначенные для измерения и контроля характеристик электрических сигналов. Осциллографы работают на принципе отклонения электронного луча, который выдает изображение значений переменных величин на дисплее.
Измерение напряжения в сети переменного тока
Согласно нормативным документам величина напряжения в бытовой сети должна быть равной 220 вольт с точностью отклонений 10%, то есть напряжение может меняться в интервале 198-242 вольта. Если в вашем доме освещение стало более тусклым, лампы стали часто выходить из строя, либо бытовые устройства стали работать нестабильно, то для выяснения и устранения этих проблем для начала необходимо измерение напряжения в сети.
Перед измерением следует подготовить имеющийся у вас измерительный прибор к работе:
- Проверить целостность изоляции контрольных проводов со щупами и наконечниками.
- Установить переключатель на переменное напряжение, с верхним пределом 250 вольт или выше.
- Вставить наконечники контрольных проводов в гнезда измерительного прибора, например, . Чтобы не ошибиться, лучше смотреть на обозначения гнезд на корпусе.
- Включить прибор.
Из рисунка видно, что на тестере выбрана граница измерений 300 вольт, а на мультиметре 700 вольт. Некоторые приборы требуют для измерения напряжения устанавливать в нужное положение несколько разных переключателей: вид тока, вид измерений, а также вставить наконечники проводов в определенные гнезда. Конец черного наконечника в мультиметре воткнут в гнездо СОМ (общее гнездо), красный наконечник вставлен в гнездо с обозначением «V». Это гнездо является общим для измерения любого вида напряжения. Гнездо с маркировкой «ma» применяется для замеров небольших токов. Гнездо с обозначением «10 А» служит для измерения значительной величины тока, который может достичь 10 ампер.
Если измерять напряжение со вставленным проводом в гнездо «10 А», то прибор выйдет из строя, или сгорит предохранитель. Поэтому при выполнении измерительных работ следует быть внимательным. Наиболее часто ошибки возникают в случаях, когда сначала измеряли сопротивление, а затем, забыв переключить на другой режим, начинают измерение напряжения. При этом внутри прибора сгорает резистор, отвечающий за измерение сопротивления.
После подготовки прибора, можно начинать измерения. Если при включении мультиметра на индикаторе ничего не появляется, это означает, что элемент питания, расположенный внутри прибора, отслужил свой срок и требует замены. Чаще всего в мультиметрах стоит «Крона», выдающая напряжение 9 вольт. Срок ее службы составляет около года, в зависимости от производителя. Если мультиметром долго не пользовались, то крона все равно может быть неисправной. Если батарейка исправна, то мультиметр должен показать единицу.
Щупы проводов необходимо вставить в розетку или прикоснуться ими к оголенным проводам.
На дисплее мультиметра сразу появится величина напряжения сети в цифровом виде. На стрелочном приборе стрелка отклонится на некоторый угол. Стрелочный тестер имеет несколько градуированных шкал. Если их внимательно рассмотреть, то все становится понятным. Каждая шкала предназначена для определенных измерений: тока, напряжения или сопротивления.
Граница измерений на приборе была выставлена на 300 вольт, поэтому нужно отсчитывать по второй шкале, имеющий предел 3, при этом показания прибора необходимо умножить на 100. Шкала имеет цену деления, равной 0,1 вольта, поэтому получаем результат, изображенный на рисунке, около 235 вольт. Этот результат находится в допустимых пределах. Если при измерении показания прибора постоянно меняются, возможно, плохой контакт в соединениях электрической проводки, что может привести к искрению и неисправностям в сети.
Измерение постоянного напряжения
Источниками постоянного напряжения являются аккумуляторы, низковольтные или батарейки, напряжение которых не более 24 вольт. Поэтому прикосновение к полюсам батарейки не опасно, и нет необходимости в специальных мерах безопасности.
Для оценки работоспособности батарейки или другого источника, необходимо измерение напряжения на его полюсах. У пальчиковых батареек полюсы питания расположены на торцах корпуса. Положительный полюс маркируется «+».
Постоянный ток измеряется аналогичным образом, как и переменный. Отличие заключается только в настройке прибора на соответствующий режим и соблюдении полярности выводов.
Напряжение батарейки обычно обозначено на корпусе. Но результат измерения еще не говорит об исправности батарейки, так как при этом измеряется электродвижущая сила батарейки. Продолжительность эксплуатации прибора, в котором будет установлен элемент питания, зависит от его емкости.
Для точной оценки работоспособности батарейки, необходимо проводить измерение напряжения при подключенной нагрузке. Для пальчиковой батарейки в качестве нагрузки подойдет обычная лампочка для фонарика на 1,5 вольта. Если напряжение при включенной лампочке снижается незначительно, то есть, не более, чем на 15%, следовательно, батарейка пригодна для работы. Если напряжение падает значительно сильнее, то такая батарейка может еще послужить только в настенных часах, которые расходуют очень мало энергии.
Цель работы - исследование метрологических характеристик электронных вольтметров
Ознакомиться с используемой аппаратурой и инструкциями по ее применению. Получить у преподавателя конкретное задание по выполнению работы.
Определить основную погрешность электронного вольтметра на диапазоне измерений, указанном преподавателем. Построить на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра. Сделать вывод о соответствии поверяемого вольтметра своему классу точности.
Определить амплитудно-частотную характеристику АЧХ электронного вольтметра. Построить график АЧХ и определить рабочую полосу частот вольтметра на уровне затухания АЧХ, определяемом нормативно-технической документацией на поверяемый вольтметр.
Экспериментально оценить АЧХ цифрового вольтметра. Провести сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик электронного, цифрового и электромеханического 11 Примечание 1 . Результаты исследований по электромеханическим вольтметрам взять из лабораторной работы №1, если она предварительно выполнялась. вольтметров. Построить графики АЧХ исследуемых приборов.
Измерить электронным вольтметром напряжения различной формы (синусоидальной, прямоугольной и треугольной) с одинаковой амплитудой на частотах, лежащих в рабочей полосе частот этого прибора. Объяснить и подтвердить расчетами полученные результаты. Сделать вывод о влиянии формы измеряемого напряжения на показания электронного вольтметра.
Описание и порядок выполнения работы
Используемые приборы
Электронный вольтметр с аналоговым выходом - GVT-417В
Прибор измерительный универсальный с цифровой индикацией - GDM-8135
Генератор гармонических сигналов - SFG-2120
Осциллограф электронный - GOS-620
Описания приборов прилагаются на стенде .
Для выполнения работы применяют схему, представленную на рис. 2.1, где ГС - генератор (синтезатор) сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы,ЦВ - цифровой вольтметр, ЭВ - электронный вольтметр, ЭЛО - электронно-лучевой осциллограф.
1. Основную погрешность электронного вольтметра определяют методом сличения, т.е. сравнением его показаний с показаниями образцового, в данном случае цифрового вольтметра, при синусоидальном напряжении. Показания образцового вольтметра принимаются за действительные значения напряжения.
Поверку электронного вольтметра GVT-417B проводят при частоте 1кГц на шкалах с верхними пределами 1В или 3В, что обусловлено диапазоном регулирования выходного напряжения используемого генератора.
Поверку проводят для n = (610) отметок шкалы, равномерно распределенных по шкале прибора, при плавном увеличении и уменьшении его показаний
Поверяемые точки напряжения U п устанавливают на поверяемом электронном вольтметре, а действительные значения напряжений U о ув, U о ум снимают с образцового цифрового вольтметра соответственно при подходе к поверяемой отметке U п шкалы при увеличении и уменьшении показаний.
Результаты измерений и расчетов представляют в виде таблицы.
Абсолютную, относительную, приведенную погрешности и вариацию показаний определяют по формулам, приведенным в лабораторной работе 1 или в ; определяют также максимальную приведенную погрешность max = Мах{| i |} и максимальную вариацию H max = Мах{H i }, полученные в результате эксперимента.
По результатам испытаний и расчетов строят на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра, = F (U п), = F (U п); на графике также проводят линии, определяющие границы предельно допустимой приведенной погрешности, соответствующей классу точности поверяемого прибора.
На основании анализа данных об основной погрешности и вариации показаний делают вывод о соответствии указанных характеристик требованиям, определяемым классом точности поверяемого прибора.
2. Амплитудно-частотную характеристику электронного вольтметра определяют как зависимость показаний вольтметра от частоты входного синусоидального сигнала при постоянном значении его напряжения.
На практике широко используют понятие рабочей полосы частот средства измерений. Под рабочей полосой частот вольтметра понимают диапазон частот f , для которого неравномерность АЧХ вольтметра не превосходит некоторой заранее установленной допустимой величины. Так, для электронного вольтметра GVT-417B в пределах рабочей полосы допускается не более чем 10-ти процентное изменение показаний прибора от показания на частоте f 0 = 1КГц.
Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанному требованию, называются нижней f Н и верхней f В граничными частотами рабочей полосы электронного вольтметра.
Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 2.1. В качестве источника сигналов используют генератор SFG-2120, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне.
Предварительно на генераторе ГС устанавливают частоту f 0 =1кГц при синусоидальной форме сигнала. С помощью регулятора выходного напряжения генератора ГС устанавливают показание электронного вольтметра на отметке шкалы в диапазоне (0.7-0.9) от верхнего предела измерений и записывают установленное значение напряжения U П (f 0 =1кГц) = … .
В дальнейшем при определении АЧХ изменяют только частоту генератора сигналов ГС, а напряжение, снимаемое с генератора, не изменяют.
Для контроля уровня сигнала и его формы используют электронно-лучевой осциллограф. На экране осциллографа, путем выбора коэффициентов (VOLTS/DIV) отклонения и коэффициентов (TIME/DIV) развертки, получают удобную для наблюдений и измерений осциллограмму - изображение нескольких периодов синусоиды с достаточно большой амплитудой; записывают амплитуду l А (или l 2А - двойную амплитуду) изображения сигнала для последующего контроля уровня сигнала.
АЧХ удобно определять отдельно для области верхних и области нижних частот.
В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 100 кГц: 1 кГц (начальная частота), 100 кГц, 200 кГц, … до частоты, при которой показания электронного вольтметра упадут до величины порядка 0,8-0,9 от первоначально установленного показания U П (f 0 =1кГц). Для уточнения верхней частоты f в рабочей полосы частот f электронного вольтметра в районе 10-ти процентного спада АЧХ необходимо дополнительно снять несколько точек АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала.
В процессе проведения испытаний постоянный уровень выходного сигнала ГС контролируют электронным осциллографом.
Результаты испытаний и расчетов записать в таблицу:
Для ЭВ f В = … для ЦВ f В = …
где U П (f ) - показания вольтметра на частоте f ; K (f ) = U П (f ) /U П (f о = 1 кГц) - АЧХ вольтметра, представленная в относительных единицах для соответствующих частот, f в - верхняя граничная частота рабочей полосы вольтметра, найденная в эксперименте.
При выполнении задания аналогичным образом при тех же частотах оценивается АЧХ цифрового вольтметра. Результаты испытаний заносятся в ту же таблицу. Поскольку в данной работе требуется сравнить рабочие полосы частот электронного и цифрового вольтметров в качественном смысле, не обязательно уточнять АЧХ цифрового вольтметра в дополнительных точках по частоте. При этом значения граничных частот цифрового вольтметра будут определены с меньшей точностью.
Нижняя граничная частота f н рабочей полосы f для электронных вольтметров переменного тока обычно находится в области единиц и первых десятков Гц. Поэтому процедура определения АЧХ в области нижних частот может быть следующей: сначала уменьшают частоту от исходной f 0 =1000Гц через 200Гц, а затем от 50Гц - через 10Гц. При необходимости уточняют нижнюю частоту f н рабочей полосы, при которой АЧХ падает до уровня 0.9 от ее значения при f 0 =1000Гц, снятием дополнительных точек с шагом 1Гц.
Оценка АЧХ цифрового вольтметра проводится при тех же частотах.
Результаты испытаний и расчетов представляют в виде таблицы:
Для ЭВ f н = …Гц, для ЦВ f н = …Гц.
По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот. По оси частот графики удобно строить в логарифмическом масштабе.
3. Определение влияния формы входного сигнала на показания вольтметров переменного тока.
В электронных вольтметрах переменного тока применяют преобразователи Пр переменного напряжения в постоянное, как, например, показано на рис. 2.2, где: u вх (t ) - входное напряжение, У - усилитель переменного тока, ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм, - угол отклонения измерительного механизма.
Используют преобразователи амплитудного, средневыпрямленного или действующего значений переменного напряжения в постоянное. В то же время все электронные вольтметры переменного тока, не зависимо от вида преобразователя, градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения . Это может привести к появлению дополнительных погрешностей при измерении несинусоидальных напряжений.
Электронный вольтметр GVT-417B имеет преобразователь средневыпрямленного значения. Для таких вольтметров угол отклонения указателя пропорционален средневыпрямленному значению U ср входного напряжения
где: k V - коэффициент преобразования вольтметра, u вх (t ) - входное переменное напряжение с периодом Т .
Показания U п вольтметра градуируются в действующих U значениях синусоидального напряжения
где: k Ф = U /U СР - коэффициент формы напряжения, для синусоидального напряжения k Ф = 1,11. Следовательно, для другой формы напряжения (k Ф? 1,11) показания вольтметра могут значительно отличаться от его действующего значения, что приводит к появлению дополнительной погрешности результата измерений.
В таких случаях искомые напряжения при известной форме сигналов можно находить расчетным путем.
Исходя из принципа действия вольтметра и принятой градуировки можно по показаниям U П прибора определить средневыпрямленное значение любого (в пределах АЧХ вольтметра) измеряемого напряжения
U СР = U П /1,11.
Действующее значение U несинусоидального напряжения может быть определено только в том случае, когда известен коэффициент k Ф формы кривой напряжения, k Ф = U/ U СР (или известна форма сигнала, по которой может быть определен этот коэффициент)
U= k Ф U СР.
Численные значения коэффициентов формы для некоторых сигналов представлены в таблице.
Для экспериментальной оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра последовательно измеряют сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы при их одинаковой амплитуде.
Предварительно на синусоидальном сигнале устанавливают показания вольтметров в диапазоне 0.5 - 0.6 от верхнего предела измерений выбранной шкалы при номинальной частоте f н =1 кГц , а затем при той же амплитуде входных сигналов измеряют вольтметром напряжения при других формах сигнала. Формы сигналов (синусоидальная, треугольная, прямоугольная) устанавливается нажатием на клавишу “Wave ” на генераторе.
По показаниям U П вольтметра определяют среднее U СР и действующее U значения напряжений для всех форм сигналов.
Для оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра с преобразователем средневыпрямленного напряжения определяют дополнительную относительную погрешность (в процентах)
100(U П - U )/ U .
Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу.
Следует заметить, что дополнительная погрешность войдет в результат измерений, если действующие значения напряжений несинусоидальной формы определять непосредственно по показаниям вольтметра без учета формы сигнала и проведения соответствующих расчетов.
По результатам исследований сделать вывод о влиянии формы кривой напряжения на результаты его измерения электронным вольтметром.
Литература
Метрология, стандартизация и сертификация: учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. - М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 136-140.
Под переменным напряжением понимается периодически изменяющееся напряжение, основными параметрами его являются период (или частота как величина, обратная периоду), амплитуда U m и мгновенное значение сигнала U(t) .
Кроме амплитудного и мгновенного значений периодического сигнала часто используют:
1. Среднее значение (7.1)
2. Средневыпрямленное значение 
(7.2)
3. Действующее значение 
(7.3)
Зная форму сигнала, можно вычислить соотношения между амплитудным, действующим и средневыпрямленным значениями:
– коэффициент формы;
– коэффициент амплитуды.
Таблица 7.1
Комбинированные вольтметры отображают действующее значение измеряемой величины. Переход от мгновенного значения к действующему может быть реализован тремя способами: определение средневыпрямленного значения и умножение его на коэффициент формы; определение амплитудного значения и деление его на коэффициент амплитуды; расчет действующего значения по формуле (7.2). Соответственно, существуют три типа входных детекторов измерительных приборов переменного тока: детекторы средневыпрямленного значения, амплитудного значения, действующего (среднеквадратичного) значения.
Наиболее часто на практике используют синусоидальные сигналы, поэтому в приборах с детекторами средневыпрямленного значения и амплитудного значения производится соответственно умножение и деление на коэффициенты формы и амплитуды для синусоидального сигнала. Таким образом, при измерении сигналов формы, отличной от синусоидальной, будет возникать методическая погрешность.
2. Принцип действия вольтметров с детектором
средневыпрямленного значения
Напряжение переменного тока может быть измерено вольтметрами электромагнитной, электро- и ферродинамической или электростатической систем. Но наиболее широко в измерительной практике используются вольтметры, имеющие измерительный механизм магнитоэлектрической системы и преобразователь измеряемого параметра переменного напряжения в постоянный ток. Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы реагируют на среднее значение тока, протекающего по рамке. Поэтому, если пропускать через рамку ток с нулевым средним значением (например, синусоиду, меандр и т.п.), то подвижная система отклоняться не будет. Для измерения переменных токов и напряжений необходимо сигнал предварительно преобразовать в постоянный ток или напряжение. Основные типы таких преобразователей приведены в .
Рис. 7.1. Выпрямительные вольтметры
В выпрямительных вольтметрах обычно применяют схемы одно- или двухполупериодного выпрямления (см. рис. 7.1).
Недостатком простейшей схемы (рис. 7.1а) является малая чувствительность, большое обратное напряжение, приложенное к диоду, и, кроме того, несимметричность нагрузки для источника сигнала в разные полуволны сигнала. В схеме на рис. 7.1б использованы два диода, что позволяет выровнять (R=R р) токи полуволн и защитить диод Д1 от пробоя. Часто используют схемы двухполупериодного выпрямления (рис. 7.1в).
Во всех этих схемах измерительный механизм реагирует на средневыпрямленный ток, т.е. отклонение стрелки пропорционально средневыпрямленному напряжению U св измеряемого сигнала
.
В большинстве же технических приложений необходимо знать действующее (среднеквадратическое) значение U . Конечно, если измерено U св, то U можно найти, используя коэффициент формы. Например, для синусоидального сигнала U= 1,11×U св. Для удобства применения прибора это домножение на коэффициент 1,11 производится при градуировке:
;
;
.
В результате таким вольтметром удобно пользоваться при измерении синусоидальных сигналов. Если же коэффициент формы измеряемого сигнала отличается от 1,11, то возникает так называемая погрешность формы кривой.
(7.4)
Например, для меандра (К ф = 1,00):
,
т.е. методическая погрешность за счет отклонения формы кривой от синусоиды может существенно (в несколько раз) превышать инструментальную, определяемую классом точности прибора. Если известен коэффициент формы измеряемого сигнала, то можно вычислить измеряемое действующее значение U х по формуле
(7.5)
где U п - показание вольтметра выпрямительной системы.
Таким образом, при измерении напряжения переменного тока выпрямительным вольтметром следует учитывать две методические погрешности (за счет входного сопротивления и за счет формы кривой) и инструментальную погрешность самого вольтметра.
3. Принцип действия вольтметров с детектором
амплитудного значения
Вольтамперные характеристики реальных диодов имеют нулевую зону (отсутствие тока в прямом направлении) до 0,3-0,7 В. Поэтому выпрямительные вольтметры нельзя использовать при измерении малых напряжений. Необходимо предварительное усиление входного сигнала, что осуществляется в электронных вольтметрах. На рис. 7.2 приведены схемы электронных вольтметров с линейными детекторами на операционных усилителях.
а б
Рис. 7.2. Схемы электронных вольтметров.
При измерении высокочастотных напряжений часто используются электронные вольтметры с амплитудными детекторами. На рис. 7.3 приведена схема вольтметра, состоящего из:
Измерительного механизма магнитоэлектрической системы (ИМ);
Усилителя постоянного тока (УПТ);
Делителей во входных цепях;
Пробника, представляющего собой амплитудный детектор с закрытым входом.
Его выходной сигнал определяется амплитудой переменной составляющей входного сигнала.
В комбинированных вольтметрах шкала градуируется так, чтобы сразу определить среднеквадратическое (действующее) значение.
; 
; 
,
где К УПТ – коэффициент, зависящий от характеристик усилителя постоянного тока.
Рис. 7.3. Функциональная схема вольтметра В7-15
Градуировку комбинированных электронных вольтметров осуществляют для синусоидального входного сигнала
Если коэффициент амплитуды отличается от К А =1,41, то возникает методическая погрешность:
Например, если входной сигнал имеет форму меандра (К А =1,00), то относительная методическая погрешность:
Знак минус свидетельствует о том, что показания вольтметра меньше, чем действующее значение входного сигнала. Если известен коэффициент амплитуды входного сигнала, то действующее значение равно:
где U п - показание электронного вольтметра.
Только в случае, если градуировка шкалы совпадает с типом детектора, приборы показывают тот параметр сигнала, для которого проведена градуировка шкалы.
Учитывая большое входное активное сопротивление электронных вольтметров на промышленных частотах (до 1 кГц), часто можно пренебречь методической погрешностью за счет потребления энергии от входного сигнала и общая погрешность измерения напряжения имеет две составляющие: методическую погрешность формы кривой и инструментальную погрешность самого электронного вольтметра.
Отличительной характеристикой вакуумных диодов, часто используемых в амплитудных детекторах электронных вольтметров (см. рис. 7.3), является отсутствие нулевой зоны, и даже наличие небольшого тока через диод при нулевом входном сигнале. Нестабильность этого нулевого тока диода требует проведения перед измерением электронным вольтметром дополнительной операции "установки нуля переменного напряжения", во время которой подстраивается величина специального компенсирующего сигнала. Таким образом, при измерении электронным вольтметром напряжения переменного тока необходимо произвести две регулировки: балансировку УПТ и компенсацию нулевого тока вакуумного диода.
Современные электронные и цифровые вольтметры обычно построены по схеме широкополосный усилитель - преобразователь средневыпрямленного значения - измерительный механизм. Кроме того, как отдельный конструктивный элемент имеется амплитудный детектор с закрытым входом (пробник). Пробник подключается в случае измерения высокочастотных сигналов к входу вольтметра, работающего в этом случае в режиме измерения постоянного напряжения, поступающего с выхода пробника. Для сохранения градуировки шкалы в пробнике предусмотрен делитель (К =1), так что выходной сигнал пробника равен действующему значению при синусоидальном измеряемом напряжении.
В цифровых вольтметрах также предусматривается два варианта измерения напряжения переменного тока: при подключения сигнала к клеммам используется линейный детектор (см. рис. 7.2), а для измерения высокочастотных сигналов к приборам прилагается пробник (амплитудный детектор). В некоторых вольтметрах применяются квадратичные детекторы, выходной сигнал которых пропорционален действующему значению измеряемого напряжения и погрешность формы кривой отсутствует.
Вряд ли будет преувеличением сказать, что тестер семейства М-83х есть у каждого радиолюбителя. Простой, доступный, дешёвый. Вполне достаточный для электрика.
Но для радиолюбителя он имеет изъян при измерениях переменного напряжения. Во-первых, малую чувствительность, во-вторых, предназначен для измерений напряжений частотой 50 Гц. Часто у начинающего любителя нет других приборов, а хочется измерить, например, напряжение на выходе усилителя мощности и оценить его АЧХ. Можно ли это сделать?
В интернете все повторяют одно и то же – «не выше 400 Гц». Так ли это? Давайте посмотрим.
Для проверки собрана установка из тестера М-832, звукового генератора ГЗ-102 и
лампового вольтметра В3-38.
Судя по имеющимся данным, многочисленные приборы семейства М-83х или D-83x собраны практически по одной схеме, поэтому высока вероятность того, что результаты измерений будут близки. Кроме того, в данном случае меня мало интересовала абсолютная погрешность данного тестера, интересовали только его показания в зависимости от частоты сигнала.
Уровень был выбран около 8 Вольт. Это близко к максимальному выходному напряжению генератора ГЗ-102 и близко к напряжению на выходе УМЗЧ средней мощности.
Лучше было бы сделать ещё серию измерений с мощным УНЧ нагруженным на повышающий трансформатор, но не думаю, что результаты изменятся разительно.
Для удобства оценки АЧХ в дБ выбран уровень 0 дБ на пределе 10 В вольтметра В3-38. При изменении частоты сигнала уровень чуть подстраивался, но изменения не превышали долей дБ, ими можно пренебречь.
Результаты
В приведённой таблице К
- коэффициент, на который надо умножить результат измерений тестера на данной частоте с учётом спада АЧХ.
Для получения табличных результатов в дБ на выходе генератора устанавливался уровень напряжения, полученного для каждой частоты, а разность в дБ считывалась и заносилась в таблицу. Некоторые неточности из-за округления в 0,5 дБ показаний лампового вольтметра и округления последней цифры показаний тестера. Считаю, в данном случае систематическую ошибку в 1 дБ вполне допустимой т. к. на слух она неощутима.
Вывод
Итак, что же получилось?Частотная характеристика тестера верна не до 400 Гц, а до 4…6 кГц, выше начинается спад, который можно учесть при помощи таблицы и, значит, получить относительно достоверные результаты в диапазоне 20…20000 Гц и даже выше.
Для того чтобы утверждать, что поправки годятся для всех тестеров, нужно собрать статистику. К сожалению, мешком тестеров не располагаю.
Не надо забывать, что тестер измеряет переменное напряжение по схеме однополупериодного выпрямителя с его недостатками, такими как возможность измерений только синусоидального напряжения без постоянной составляющей, при малом измеряемом напряжении погрешность будет расти.
Как можно улучшить тестер М-832 для измерений переменных напряжений?
Можно поставить дополнительный переключатель пределов «200-20 В» и ещё один резистор шунта. Но это требует разборки и доработки тестера, надо разбираться в схеме и иметь прибор для калибровки. Считаю, что это нецелесообразно.Лучше
сделать отдельную приставку, усиливающую и выпрямляющую напряжение. Выпрямленное напряжение подавать на тестер, включённый на измерение постоянного напряжения.
Но это тема для другой статьи.
В радиолюбительской практике это наиболее распространенный вид измерений. Например, при ремонте телевизора измеряются напряжения в характерных точках устройства, а именно на выводах транзисторов и микросхем. Если есть под рукой принципиальная схема, и на ней указаны режимы транзисторов и микросхем, то найти неисправность опытному мастеру не составит труда.
При налаживании конструкций, собранных своими руками, без измерения напряжений обойтись нельзя. Исключения составляют лишь классические схемы, про которые пишут примерно так: «Если конструкция собрана из исправных деталей, то наладки не требуется, заработает сразу».
Как правило, это классические схемы электроники, например, . Такой же подход может получиться даже к усилителю звуковой частоты, если он собран на специализированной микросхеме. Как наглядный пример TDA 7294 и еще много микросхем этой серии. Но качество «интегральных» усилителей невелико, и истинные ценители строят свои усилители на дискретных транзисторах, а порою на электронных лампах. И вот тут-то без налаживания и связанных с этим измерений напряжений просто не обойтись.
Как и что предстоит измерять
Показано на рисунке 1.
Рисунок 1.
Возможно, кто-то скажет, мол, что тут можно измерять? И какой смысл собирать подобную цепь? Да, практического применения для такой схемы найти, наверно, трудно. А для познавательных целей она вполне подойдет.
Прежде всего, следует обратить внимание на то, как подключается вольтметр. Поскольку на рисунке показана цепь постоянного тока, то и вольтметр подключается с соблюдением полярности, указанной на приборе в виде знаков «плюс» и «минус». В основном это замечание справедливо для стрелочного прибора: при несоблюдении полярности стрелка отклонится в обратную сторону, по направлению к нулевому делению шкалы. Так что получится какой-то отрицательный ноль.
Цифровые приборы, мультиметры, в этом плане более демократичны. Даже если подключены в обратной полярности, напряжение все равно будет измерено, только на шкале перед результатом появится знак «минус».
Еще на что следует обратить внимание при измерении напряжений это диапазон измерений прибора. Если предполагаемое напряжение находится в пределах, например, 10…200 милливольт, то такому диапазону соответствует шкала прибора 200 милливольт, а измерение упомянутого напряжения по шкале 1000 вольт вряд ли даст вразумительный результат.
Так же следует выбирать диапазон измерений и в других случаях. Для измеряемого напряжения 100 вольт вполне подойдет диапазон 200В и даже 1000В. Результат будет один и тот же. Это что касается .
Если же измерения производятся старым добрым стрелочным прибором, то для измерения напряжения 100В следует выбрать диапазон измерений, когда показания находятся в середине шкалы, что позволяет осуществить более точный отсчет.
И еще одна классическая рекомендация по использованию вольтметра, а именно: если величина измеряемого напряжения неизвестна, то измерения следует начинать, установив вольтметр на самый большой диапазон. Ведь если измеряемое напряжение будет 1В, а диапазон будет 1000В, самая большая опасность в неверных показаниях прибора. Если же получится наоборот, - диапазон измерений 1В, а измеряемое напряжение 1000, покупки нового прибора просто не избежать.
Что покажет вольтметр
Но, пожалуй, вернемся к рисунку 1, и попробуем определить, что, же покажут оба вольтметра. Для того, чтобы это определить, придется . Задачу можно решить за несколько шагов.
Во-первых, рассчитать ток в цепи. Для этого надо напряжение источника (на рисунке это гальваническая батарея с напряжением 1,5 В) разделить на сопротивление цепи. При последовательном соединении резисторов это будет просто сумма их сопротивлений. В виде формулы это выглядит примерно так: I = U / (R1 + R2) = 4,5 / (100 + 150) = 0,018 (А) = 180 (мА).
Маленькое замечание: если выражение 4,5 / (100 + 150) скопировать в буфер обмена, затем вставить в окно виндоус-калькулятора, то после нажатия клавиши «равно» будет получен результат вычислений. На практике вычисляются еще более сложные выражения, содержащие квадратные и фигурные скобки, степени и функции.
Во-вторых, получить результаты измерений, как падение напряжения на каждом резисторе:
U1 = I * R1 = 0,018 * 100 = 1,8 (В),
U2 = I * R2 = 0,018 * 150 = 2,7 (В),
Для проверки правильности вычислений достаточно сложить оба получившиеся значения падения напряжений. Сумма должна быть равна напряжению батареи.
Возможно, у кого-то может возникнуть вопрос: «А если делитель будет не из двух резисторов, а из трех или даже из десяти? Как определить падение напряжения на каждом из них?». Точно так же, как и в описанном случае. Сначала надо определить общее сопротивление цепи и рассчитать общий ток.
После чего этот уже известный ток просто умножить на . Иногда такие вычисления делать приходится, но тут тоже есть одно но. Чтобы не сомневаться в полученных результатах ток в формулы следует подставлять в Амперах, а сопротивление в Омах. Тогда, вне всяких сомнений, результат получится в Вольтах.
Сейчас все привыкли пользоваться приборами китайского производства. Но это не говорит о том, что качество у них никудышное. Просто в отечестве никто не додумался до производства собственных мультиметров, а стрелочные тестеры делать, видимо, разучились. Просто обидно за державу.
Рис. 2. Мультиметр DT838
Когда-то в инструкциях к приборам указывались их технические характеристики. В частности для вольтметров и стрелочных тестеров это было входное сопротивление, и указывалось оно в Килоомах/Вольт. Были приборы с сопротивлением 10 К/В и 20 К/В. Последние считались более точными, поскольку меньше подсаживали измеряемое напряжение и показывали более точный результат. Сказанное можно подтвердить рисунком 3.
Рисунок 3.
Действующее напряжение U составляет 0,707 амплитудного напряжения Uм.
U = Uм/√2 = 0,707 * Uм, откуда можно сделать вывод, что Uм = U * √2 = 1,41 * U
Здесь уместно привести широко распространенный пример. При измерении переменного напряжения прибор показал 220В, значит, амплитудное значение по формуле получится
Uм = U * √2 = 1,41 * U = 220 * 1,41 = 310В.
Этот расчет подтверждается каждый раз, когда сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом после которого стоит хотя бы один электролитический конденсатор: если померить постоянное напряжение на выходе моста, то прибор покажет как раз 310В. Эту цифру следует запомнить, она может пригодиться при разработке и ремонте импульсных блоков питания.
Указанная формула справедлива для всех напряжений, если они будут иметь синусоидальную форму. Например, после понижающего трансформатора имеется 12В переменки. Тогда после выпрямления и сглаживания на конденсаторе получится
12 * 1,41 = 16,92 почти 17В. Но это если не подключена нагрузка. При подключенной нагрузке постоянное напряжение подсядет почти до 12В. В случае, когда форма напряжения иная, чем синусоида эти формулы не работают, приборы показывают не то, что от них ожидалось. На этих напряжениях измерения производятся другими приборами, например, осциллографом.
Еще один фактор, влияющий на показания вольтметра это частота. Например, цифровой мультиметр DT838 согласно своих характеристик меряет переменные напряжения в диапазоне частот 45…450Гц. Несколько лучше в этом плане выглядит старенький стрелочный тестер ТЛ4.
В диапазоне напряжений до 30В его частотный диапазон составляет 40…15000Гц (почти весь звуковой диапазон, можно пользоваться при настройке усилителей), но с увеличением напряжения допустимая частота падает. В диапазоне 100В это 40…4000Гц, 300В 40…2000Гц, а в диапазоне 1000В всего 40…700Гц. Вот тут уже бесспорная победа над цифровым прибором. Эти цифры также справедливы лишь для напряжений синусоидальной формы.
Хотя иногда и не требуется никаких данных о форме, частоте и амплитуде переменных напряжений. Например, как определить работает гетеродин коротковолнового приемника или нет? Почему приемник ничего не «ловит»?
Оказывается, все очень просто, если воспользоваться стрелочным прибором. Надо включить его на любой предел измерения переменных напряжений и одним щупом (!) коснуться выводов транзистора гетеродина. Если есть высокочастотные колебания, то они продетектируются диодами внутри прибора, и стрелка отклонится на некоторую часть шкалы.
