Разработка транзисторного вольтметра переменного тока

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение

1. Обзор существующих моделей вольтметров
2. Переменный вольтметр
3. Принципиальная схема устройства
4. Принцип работы устройства
5. Элементы принципиальной схемы
6. Расчет надежности устройства
7. Вывод по теоретической части
8. Экономическая часть
9. Охрана труда и техника безопасности

Заключение 

Литература 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      В настоящее время в промышленных устройствах очень часто возникает необходимость измерение постоянного и переменного напряжения. Данную функцию выполняют вольтметры. Вольтметрами называют устройство, предназначенное для непосредственного отсчета для определения напряжения или ЭДС в электрических схемах.

      Целью настоящей работы является разработка транзисторного вольтметра переменного  тока, измеряющий среднеквадратические (эффективных) значения напряжений низкочастотных сигналов синусоидальной формы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Обзор существующих моделей  вольтметров

 
 

1. По принципу действия вольтметры разделяются на:

электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические;

электронные — аналоговые и цифровые.

2. По назначению:

  постоянного тока;

переменного тока;

импульсные;

фазочувствительные;

селективные;

универсальные

3. По конструкции и способу применения:

    щитовые;

      переносные;

      стационарные 
 
 
 
 
 
 
 

1. Диодно-компенсационные вольтметры переменного тока

Принцип действия диодно-компенсационных вольтметров  состоит в сравнении с помощью  вакуумного диода пикового значения измеряемого напряжения с эталонным напряжением постоянного тока с внутреннего регулируемого источника вольтметра. Преимущество такого метода состоит в очень широком рабочем диапазоне частот (от единиц герц до сотен мегагерц), с весьма хорошей точностью измерения, недостатком является высокая критичность к отклонению формы сигнала от синусоиды.

В настоящее  время разработаны новые типы вольтметров, такие как В7-83 (пробник 20 мм) и ВК3-78 (пробник 12 мм), с характеристиками аналогичными диодно-компенсационным. Последние в скором времени могут  быть допущены к примерению в качестве рабочих эталонов. Из иностранных  аналогов можно выделить вольтметры серии URV фирмы Rohde&Schwarz с пробниками диаметром 9 мм. 
 
 
 
 
 
 
 

2. Селективные вольтметры

Селективный вольтметр  способен выделять отдельные гармонические составляющие сигнала сложной формы и определять среднеквадратичное значение их напряжения. По устройству и принципу действия этот вольтметр аналогичен супергетеродинному радиоприёмнику без системы АРУ, в качестве низкочастотных цепей которого используется электронный вольтметр постоянного тока. В комплекте с измерительными антеннами селективный вольтметр можно применять как измерительный приёмник. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Цифровые  вольтметры

 

По виду измеряемой величины цифровые вольтметры делятся  на: вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного или среднего квадратического значения), импульсные вольтметры — для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигналов и универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также ряда других электрических и неэлектрических величин (сопротивления, температуры и прочее).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Кодоимпульсные  цифровые вольтметры

 

В кодоимпульсных цифровых вольтметрах (в вольтметрах  с поразрядным уравновешиванием) реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Измеряемое напряжение U‘x, полученное с входного устройства, сравнивается ,с компенсирующим напряжением Uк вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80,40,20, 10, 8,4,2,1 В.

Рис.1 Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра 
 
 
 

5. Вольтметры  с времяимпульсным  преобразованием

 

В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого  напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

Погрешность измерений  времяимпульсных вольтметров определяется рядом факторов: погрешностью дискретизации измеряемого сигнала; нестабильностью частоты счетных импульсов; порогом чувствительности схемы сравнения и нелинейностью пилообразного напряжения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Аналоговые  электронные вольтметры

 

При измерении  напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно  участку исследуемой цепи. Для  уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в последние годы в основном используются электронные вольтметры. Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя  и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Переменный  вольтметр

 

Этот вольтметр предназначен для измерения среднеквадратических (эффективных) значений напряжений низкочастотных сигналов синусоидальной формы. Такой прибор особенно необходим при налаживании, ремонте, измерении чyвствительности, снятии частотных характеристик различных по назначению yсилителей низкой частоты. Констрyктивно он выполнен так же, как транзисторный вольтметр постоянного тока, т.е. в виде приставки к авометрy. приставка имеет штепсельнyю колодкy, с помощью которой она через гнезда 100мкА соединяется с микроамперметром авометра. При этом переключатель рода измерений авометра должен быть yстановлен в положение V. Питается приставка стабилизированным напряженим 9 В блока питания, входящего в комплект лаборатории.

     Вольтметр имеет четыре предела измерений: 0,1 1 и 100В. Переход с одного предела  измерений на дрyгой осyществляется перестановкой штепселя измерительного щyпа в соотвествyющие гнезда приставки. С достаточной для радиолюбительской практики точностью прибором можно измерять напряжения переменного тока частотой от 20Гц до 20кГц погрешность измерений возрастает.

     Относительное входное сопротивление вольтметра на частоте 1 кГц составляет 33кОм\В. При измерении напряжений переменного  тока частотой выше 20кГц относительное  входное сопротивление снижается  из-за паразитных входных емкостей.

     В основy вольтметра положен двyхкаскадный yсилитель низкой частоты с двyхтактным без трансформаторным оконечным каскадом, работающим в режиме класса В. Ток оконечного каскада такого yсилителя прямо пропорционален входномy напряжению. Следовательно, по показаниям стрелочного измерительного прибора,влюченного на выходе yсилителя, можно сyдить о значении входного напряжения.

3. Принципиальная схема устройства

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Принцип работы устройства

 

     Принципиальная схема вольтметра показана на рис. измеряемое напряжение через одно из гнезд (Гн1-Гн4) пределов измерений, добавочные резисторы R1-R4 и конденсатор С1 подается на базy транзистора Т1 первого каскада усилителя.

     Добавочные  резисторы R1-R4 понижают измеряемое переменное напряжение до 100мВ. основное усиление измеряемого напряжения осуществляется первым каскадом, поэтомy для него следует подобрать транзистор с возможно большим статическим коэффициентом передачи тока Вст. в оконечном двухтактном каскаде работают транзисторы Т2 и Т3, гальванически связанные с транзистором Т1 первого каскада. Минимальный ток покоя транзистора оконечного каскада, соответствующий нулевой отметке шкалы, устанавливают переменным резистором R8. Нагрузкой усилителя слyжит резистор R11, подключенный через конденсатор С3 эмиттерам транзисторов Т2 и Т3.

      В усилитель введены две цепи отрицательной обратной связи: по переменномy  и постоянномy токам. Первая из них слyжит для измерения чувствительности(калибровки) усилителя, вторая – для повышения стабильности режимов работы транзисторов. Обратную связь по переменномy токy образyет цепь, состоящая из конденсатора С3 и резисторов R6 и R5. Глубину ее, а следовательно, и чувствительность усилителя изменяют переменным резистором R6.

      Напряжение  обратной связи по постоянномy току подается на базy транзистора Т1 с эмиттеров транзисторов Т2 и Т3 через резистор R9. Изменение напряжения на эмиттерах транзисторов Т2 и Т3 сопровождается автоматическим увеличением или уменьшением тока транзистора Т1, что в свою очередь уменьшает или, наоборот, увеличивает напряжение смещения на базах транзисторов Т2 и Т3. В результате режим усилителя по постоянномy токy поддерживается практически постоянным.

      Микроамперметр  авометра, зашунтированный проволочным резистором R10, включен в коллекторную цепь транзистора Т3. сопротивление этого шунта подобрано так, чтобы полное отклонение стрелки микроамперметра соответствовало токy, равномy 10мА.

      Для повышения температурной стабильности работы усилителя в базовую цепь оконченных транзисторов включен диод  Д1. Диод  Д2 защищает транзисторы на слyчай подключения к приставке источника питания в непрерывной полярности.

     Конструкция и детали. Корпус с крышкой и гнездовая колодка выполнены точно так же, как в приставке транзисторного вольтметра постоянного тока. Переменные резисторы R6 и R8, выключатель питания В1,колодка с гнездами Гн1-Гн4 yкреплены непосредственно на верхней стенке корпуса, являющейся лицевой панелью приставки. Гетинаксовая монтажная плата, несущая на себе все остальные детали приставки, крепится к гнездовой колодке с помощью двух винтов М3, на которые надеты стойки высотой 6мм. Все надписи выполнены на плотной бyмаге, прикрытой сверхy пластинкой листового бесцветного органического стекла толщиной 2мм.

      Шнур с трехмиллиметровыми штепселями слyжит для подключения приставки к блокy питания.

      Разметка  отверстий в верхней стенке корпуса и схема соединений деталей на монтажной плате показаны соответственно на рис.

Детали, использованные для прибора: постоянные резисторы МЛТ-0.25 или МЛТ-0.5; из них резисторы R1 – R4 должны быть с допуском ±5% ; переменные резисторы R6 и R8- типа СП-1 группы А; конденсатор С1-типа МБМ, С2- типа К50-6, С3-чехословацкой фирмы «Тесла». Проволочные резисторы R10 и R11 намотаны нихромовым проводом на гетинаксовой пластине размерами 55х10 мм, которyю с помощью отрезков медной проволоки монтирyют на плате. Вместо германиевого плоскостного диода Д7А(Д2) можно использовать любой дрyгой диод этой серии (Д7Д, Д7В и др.), а вместо диода Д9Б (Д1) – любой точечный диод.

     Статистический  коэффициент передачи тока Вст транзисторов должен быть не менее 55. Транзисторы  Т2 и Т3 выбирают с возможно близкими значениями коэффициентов Вст и  наименьшими обратными токами коллекторов Iко. Как показали эксперименты, наилучшие результаты можно получить, используя в вольтметре кремниевые транзисторы КТ315Г (Т1 и Т2) и германиевый транзистор П416Б (Т3) с коэффициентом Вст более 100 и токами Iко 1-3мкА. В этом слyчае сопротивление резистора R5 можно уменьшить до 3,9 кОм, а резисторов R6, R8 и R9- взять соответственно 3,2кОм; 2,2 кОм и 1Мом.