Измерение напряжений.

Измерение напряжений. Вольтметр, как уже говорилось в первом разделе книги, подключают параллельно тому участку цепи, на котором хотят измерить падение напряжения. Но вольтметр также обладает некоторым, вполне определенным, входным сопротивлением. Это сопротивление тем больше, чем больший предел измерений выбран. Однако каким бы большим оно не было, подключение вольтметра уменьшает сопротивление проверяемого участка цепи и тем самым снижает падение напряжения на нем.

Большинство цепей радиотехнической аппаратуры сравнительно высокоомные, поэтому измерять напряжения в них можно только вольтметрами с относительным входным сопротивлением не менее 5...10 кОм/В. В противном случае вольтметр покажет значительно меньшее напряжение, чем было в цепи до его подключения. Так, если сопротивление проверяемой цепи R = 50 кОм, то подключение параллельно ей вольтметра с относительным входным сопротивлением 1 кОм/В, включенным на предел измерений 100 В, равнозначно подключению к цепи сопротивления RB, равного 100 кОм. В результате общее сопротивление цепи уменьшится до значения

К чему это может привести? Если, например, до подключения вольтметра ток в цепи создавал падение напряжения U, равное 70 В (при этом ток 1 = = U/R=70/50000=0,0014 А), то после подключения прибора падение напряжения уменьшится (при том же токе) и будет

U'=l Ro6lu=0,0014-33300 = 46,62 В.

Вот эти-то 46,62 В (вместо 70 В) и покажет вольтметр с относительным входным сопротивлением 1 кОм/В на пределе 100 В. Ошибка в измерениях, как видно из примера, очень велика. Если же падение напряжения в этой цепи измерить вольтметром с относительным входным сопротивлением 10 кОм/В (предел измерений тот же, т. е. 100 В), то он покажет напряжение 66,7 В. Это уже довольно близко к истине. Напомним, что именно такое относительное входное сопротивление имеет описанный ранее авометр в режиме измерения напряжения, поэтому им можно измерять напряжения во многих цепях не только транзисторной, но и ламповой радиоаппаратуры.

Еще меньше погрешность измерений при использовании транзисторного вольтметра постоянного тока, относительное входное сопротивление которого равно 100 кОм/В. Он покажет в тех же условиях напряжение 69,6 В.

Учитывая сказанное о влиянии измерительного прибора на измеряемые величины, рассмотрим несколько наиболее характерных примеров измерений из радиолюбительской практики. В описаниях любительских и промышленных конструкций чаще всего указывают напряжения на электродах ламп и транзисторов, на выводах аналоговых микросхем. Схемы измерений напряжений на электродах транзисторов разной структуры показаны на рис. 97, а и б. Сопротивление нагрузочных резисторов в коллекторных цепях RK обычно не превышает нескольких килоом. Однако это вовсе не значит, что напряжения на электродах транзисторов можно измерять низкоомными вольтметрами. Дело в том, что эти напряжения невелики, поэтому вольтметр приходится переключать на низкие пределы измерений, где входное сопротивление может оказаться -лишь ненамного больше сопротивления контролируемой цепи. Во всяком случае, чтобы погрешность измерений была не очень велика, следует использовать вольтметр с относительным входным сопротивлением не менее 10 кОм/В.

Напряжения в цепях транзисторной аппаратуры можно измерить и косвенным способом. Предположим, например, что возникла необходимость проверить напряжение на коллекторе транзистора, а подходящего прибора, т. е. вольтметра с нужным относительным входным сопротивлением, нет. В подобном случае вначале определяют ток через транзистор: I = U3/R3, где Ц, — напряжение на резисторе Кэ, измеренное вольтметром с относительным входным сопротивлением 3...5 кОм/В. Напряжение Ujt в этом случае рассчитывают по формуле:

UK — Unm—IRk U3.

Значительно большее влияние оказывают измерительные приборы на режим работы радиоаппаратуры по переменному току. Например, если миллиамперметр РА1 (рис. 98, а) включить между коллектором транзистора и колебательным контуром, то через прибор и соединительные провода потекут обе составляющие коллекторного тока — постоянная и переменная. Сам прибор магнитоэлектрической системы не будет реагировать на переменную составляющую, но вместе с соединительными проводами он может создать условия для возникновения (из-за паразитной емкости связи по высокой частоте между коллекторной и базовой цепями) самовозбуждения проверяемого каскада. В результате режим работы транзистора значительно изменится и показания миллиамперметра РА1 не. будут соответствовать истинному значению тока в коллекторной Цепи. Чтобы этого не случилось, миллиамперметр следует включать в тот участок коллекторной цепи, где нет высокочастотной составляющей (рис. 98,6), в нашем примере — после, конденсатора Ср развязывающего фильтра, замыкаюшего эту составляющую на общий провод («землю») устройства. Если такого фильтра в устройстве нет, то на время измерений прибор необходимо шунтировать конденсатором емкостью О,!...0,5 мкФ. А если этого окажется недостаточно для срыва самовозбуждения (паразитную связь можно обнаружить по изменению показаний прибора при перемещении соединительных проводов), то базу транзистора проверяемого каскада необходимо соединить с общим проводом конденсатором емкостью 0,01...0,05 мкФ.

Вольтметр постоянного тока также надо подключать к тем точкам цепей, где отсутствует переменная составляющая, и, если надо, шунтировать сам прибор конденсатором.

Все сказанное здесь относительно устройств на транзисторах относится и к ламповым конструкциям, с которыми вам, возможно, еще придется иметь дело, например, при ремонте. Схема измерения Напряжений на электродах эл_ектронной лампы показана на рис. 99. Напряжение на аноде триода Ua можно измерить вольтметром с относительным входным сопротивлением 1...5 кОм/В. Погрешность измерения будет невелика. Но если таким вольтметром измерить напряжение на аноде пентода, обладающего большим внутренним сопротивлением (несколько сотен килоом), то погрешность измерения значительно возрастет, так как входное сопротивление вольтметра в этом случае соизмеримо с внутренним сопротивлением пентода.

Поэтому для измерения напряжения на анодах и экранирующих сетках тетродов и пентодов следует использовать вольтметры с относительным входным сопротивлением не менее 10...20 кОм/В. Этому требованию в полной мере отвечают авометр и вольтметр постоянного тока, описанные в этой книге.

Сложнее измерить напряжение смещения на управляющей сетке электронной лампы. Дело в том, что если вольтметр включить непосредственно между сеткой и катодом лампы (см. рис. 99), то он зашунтирует резисторы Rc и R«. Сопротивление первого из них обычно большое (470 кОм...1 МОм), а входное сопротивление вольтметра на пределе измерений 5... 10 В едва достигает половины общего сопротивления между точками включения прибора. Напряжение на участке сетка — катод резко снизится, и ошибка измерения при таком включении вольтметра будет очень большой.

Однако измерить напряжение смещения можно не только непосредственно на сетке относительно катода, но и на резисторе Rк, на котором создается это напряжение. Сопротивление этого резистора редко превышает 1 кОм, поэтому достаточно точно измерить напряжение на нем можно даже сравнительно низкоомным вольтметром (PU4 на рис. 99).

При измерении переменных напряжений как в транзисторной, так и в ламповой аппаратуре вольтметр следует подключать к контролируемой цепи через керамический, слюдяной или бумажный конденсатор, чтобы не пропустить к прибору постоянную составляющую тока. Емкость разделительного конденсатора должна быть тем больше, чем ниже частота тока. При измерениях в цепях трактов 34 она должна составлять 0,5... 1 мкФ.

Измеряя переменные напряжения и токи, важно помнить о следующем. Если постоянные напряжение и ток вполне характеризуются некоторым одним числовым значением, например напряжение 5 В, ток 8 мА, то переменные напряжение и ток произвольной формы одним числовым значением полностью охарактеризовать невозможно. Поэтому наиболее часто используют следующие три значения переменных напряжений (токов): максимальное, средневыпрямлен-ное и среднеквадратическое.

Максимальное — это наибольшее мгновенное значение сигнала на протяжении заданного интервала времени. При синусоидальной форме напряжения (тока) его называют амплитудным значением (или просто амплитудой). Его важно знать, например, для оценки электрической прочности изоляции и в ряде других случаев.

Средневыпрямленное — это среднее значение сигнала после полного выпрямления. Для напряжений и токов симметричной формы (например, синусоидальной) его можно определить как среднее арифметическое мгновенных значений за положительный полупериод. Знать это значение важно, например, при проектировании устройств для зарядки аккумуляторов.

Среднеквадратическое (эффективное) значение переменного тока (напряжения) численно равно такому постоянному току (напряжению), который создает в соответствующих условиях равный энергетический (например, тепловой) эффект. Это значение иногда называют действующим. Если в тексте или на схеме указано числовое значение переменного тока (напряжения) без каких-либо оговорок, то обычно имеется в виду его среднеквадратическое значение.

Полезно помнить, что максимальное значение не может быть меньше среднеквадратического, а среднеквадратическое — меньше средневыпрямленного. Если ток имеет синусоидальную форму, то максимальное, среднеквадратическое и средневыпрямленное значения относятся одно к другому как 1,41:1,0:0,9. Если же ток имеет пилообразную (треугольную) форму, то те же значения соотносятся как 1,73:1,0:0,86. А если форма сигнала симметричная прямоугольная, то все три значения одинаковы.

Авометр в режиме измерения переменного тока и транзисторный вольтметр переменного тока, вошедшие в описанную измерительную лабораторию, являются приборами выпрямительной системы и реагируют на средневыпрямленное значение переменного напряжения. Но шкалы этих вольтметров проградуированы в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы. Поэтому если возникает необходимость оценить амплитудное значение того или иного синусоидального напряжения, показание вольтметра надо умножить на 1,41, а для оценки средневыпрямленного значения — на 0,9.

Если измеряемое переменное напряжение имеет симметричную прямоугольную форму, то, чтобы найти максимальное, средневыпрямленное или среднеквадратическое значение этого напряжения, показания вольтметров лаборатории надо умножить на 0,9. Для получения средневыпрямленного значения напряжения пилообразной формы показание вольтметра надо умножить на 0,9, максимального— на 1,8, а среднеквадратического — на 1,04.