Измерение выходной мощности усилителя низкой частоты. Измерение частоты Замеряем мощность усилителя низкой частоты

В описаниях усилителей НЧ, публикуемых в журнале Радио и другой радиотехнической литературе, принято указывать их номинальную мощность, коэффициент нелинейных искажений, чувствительность и частотную характеристику. По этим четырем основным параметрам уже можно судить о качестве усилителя и пригодности его для тех или иных целей.

Что же представляют собой эти параметры усилителя НЧ Номинальная выходная мощность (Р ном) - это мощность, выраженная в ваттах или милливаттах, отдаваемая усилителем в нагрузку, при которой нелинейные искажения соответствуют указанным в описании. При дальнейшем увеличении мощности искажения значительно возрастают. Мощность, при которой искажения достигают 10%, принято считать максимальной (Р макс).

Нелинейные искажения. В процессе усиления любого, даже чисто синусоидального сигнала из-за нелинейности характеристик транзисторов, электронных ламп, трансформаторов и ряда других элементов аппаратуры в усиленном сигнале появляются гармоники - колебания, частоты которых в 2, 3 и более раз выше основной частоты. Это и есть нелинейные или гармонические искажения, которые растут по мере увеличения мощности, отдаваемой усилителем нагрузке. Они оцениваются коэффициентом гармонических искажений.

Коэффициент гармонических искажений (К г), измеряемый при синусоидальном входном сигнале постоянной частоты, выражают процентным отношением суммарного напряжения всех гармоник U г к выходному напряжению U вых

Допустимый К г устанавливается соответствующими нормами (ГОСТ). Например, для усилителей НЧ радиоприемников, радиол, магнитол, электрофонов он может быть 5-7%, для бытовых магнитофонов - 5%. Чем выше класс радиоаппаратуры, тем меньше должен быть ее К г.

Чувствительность. Под термином чувствительность принято понимать то напряжение НЧ сигнала в милливольтах, которое необходимо подать на вход усилителя, чтобы получить на нагрузке номинальную выходную мощность. Чувствительность большинства усилителей для воспроизведения грамзаписи равна 100- 200 мВ, а чувствительность усилителей записи бытовых магнитофонов, измеренная с микрофонного входа, составляет 1-2 мВ.

Частотная характеристика усилителя - это зависимость напряжения выходного сигнала от частоты при неизменном входном напряжении U вх. По ряду причин усилители НЧ неодинаково усиливают сигналы разных частот. Обычно хуже всего усиливаются самые низшие (f н) и самые высшие (f в), поэтому частотные характеристики усилителей неравномерны и имеют спады или завалы по краям. Крайние частоты, на которых) наблюдается спад усиления на 30% (-ЗдБ), считают границами полосы усиливаемых частот, их указывают в паспортных данных усилителя. Частотная характеристика или полоса усиливаемых частот усилителей НЧ сетевых радиоприемников может быть от 100 до 10 000 Гц, а усилителей малогабаритных транзисторных приемников - от 200 до 3500 Гц, Чем выше класс усилителя, тем шире полоса усиливаемых частот.

Кроме этих параметров, существуют и некоторые другие, однако они второстепенные или вытекающие из основных.

Но вот радиолюбитель смонтировал, испытал и наладил усилитель. Как измерить его основные параметры, чтобы сравнить их с заданными?

Измерения параметров усилителей НЧ производят обычно с помощью специальной измерительной аппаратуры высокой точности. Однако в любительских условиях это можно сделать, пользуясь простыми измерительными приборами, например, описанными в нашем журнале в 1971 и 1972 гг. под рубрикой Лаборатория радиолюбителя. Потребуются генератор НЧ, транзисторный милливольтметр переменного тока и выпрямители для раздельного питания этих приборов. Проверяемый усилитель обычно имеет свой источник питания. Нужен еще эквивалент нагрузки R э - проволочный резистор, сопротивление которого равно сопротивлению звуковой катушки громкоговорителя, используемого в усилителе, или специальное устройство, описанное в статье Универсальный эквивалент нагрузки, опубликованной в Радио № 12 за 1973 г.

В комплекте приборов Лаборатории радиолюбителя нет измерителя нелинейных искажений (ИНИ), поэтому измерения этого параметра усилителя придется вести по упрощенной методике, пользуясь дополнительно любым низкочастотным электронным осциллографом, например ЛО-70. В таком случае измерения начинают со снятия амплитудной характеристики усилителя - зависимости выходного напряжения U вых усиливаемого сигнала от входного напряжения U вх, измеренной на частоте 1000 Гц (1 кГц) при постоянной нагрузке R н =R э.

Итак, приступаем к снятию амплитудной характеристики усилителя. Схема соединения измерительных приборов с проверяемым усилителем изображена на рис. 1, а (цепи питания не показаны). Сигнал частотой 1000 Гц с выхода генератора НЧ (ГНЧ) подаем на вход усилителя НЧ (УНЧ) экранированным двухжильным кабелем. Оплетку кабеля и одну из его жил заземляем на входе усилителя. Милливольтметр подключаем к гнездам Контроль выхода генератора. Плавно увеличиваем амплитуду сигнала генератора до напряжения 0,3 В. При этом действительное напряжение сигнала на входе усилителя будет 30 мВ, так как он снимается с аттенюатора генератора, ослабляющего сигнал в 10 раз (1: 10). Измерив входное напряжение U вх, милливольтметр переключаем на предел измерения 10 В и измеряем выходное напряжение U вых на эквиваленте нагрузки R э (рис. 1, б). Предположим, напряжение U вых равно 1,2 В. Составляем таблицу (табл. 1) и записываем в нее результаты измерений: U вх =30 мВ, U вых =1.2 В. Далее увеличиваем входное напряжение ступенями в 10 мВ, а результаты измерений записываем в таблицу. И так до тех пор, пока не нарушится пропорциональность прироста выходного напряжения U вых. При этом на экране осциллографа должно наблюдаться заметное на глаз срезание верхушек синусоиды (рис. 1, в). Срезание происходит из-за симметричного ограничения амплитуды выходного сигнала и сопровождается ростом искажений примерно до 10%. Это означает достижение усилителем максимальной мощности (Р макс). Затем немного уменьшаем U вх до исчезновения искажений синусоиды (см. рис. 1, б) и считаем, что теперь усилитель отдает номинальную мощность Р ном. Выходные напряжения, соответствующие Р макс и Р ном, например 4,1 и 3,6В в таблице выделяем.

Теперь, пользуясь данными табл. 1, строим, амплитудную характеристику усилителя (рис. 2). Для этого по горизонтальной оси вправо от нуля отмечаем входные напряжения U вх в милливольтах, а по вертикальной оси вверх - выходные напряжения U вых в вольтах. Все измеренные значения U вых отмечаем на графике крестиками и через них проводим плавную линию. Эта линия до точки а прямолинейна, а затем заметно отклоняется вниз, что указывает на нарушение прямой зависимости U вых /U вх и резкое увеличение искажений.

Зная напряжение U вых и сопротивление эквивалента нагрузки R э, можно подсчитать выходную мощность Р вых усилителя для различных напряжений U вых.

Выходную мощность Р вых подсчитывают по формуле, вытекающей из закона Ома:

Например, при Р н = 6,5 Ом и Uвых=1,0 В

при U вых, соответствующем 1,8 В, Рвых ≈ 0,5 Вт в т. д. На рис. 2 параллельно оси U вых проведена вторая вертикальная ось, на которой отмечены расчетные выходные мощности Р вых.

Перегиб амплитудной характеристики обычно соответствует номинальной мощности Р ном усилителя, в нашем примере 2 Вт (максимальная мощность Р макс ≈ 2,5 Вт). Если перегиб характеристики не явно выражен, его уточняют по осциллографу повторными измерениями. Затем берут среднюю арифметическую величину U вых, при которой искажения синусоиды на экране осциллографа становятся неразличимыми на глаз.

Численное значение коэффициента гармонических искажений Кг можно измерить с помощью заграждающего фильтра, настроенного на основную, частоту 1 кГц. Фильтр включают между выходом усилителя НЧ и милливольтметром (рис. 3). Сначала измеряют U вых при первом положении переключателя В. Предположим, что оно равно 3,6 В (3600 мВ). Затем, установив переключатель во второе положение, чтобы включить фильтр, измеряют напряжение гармоник U г. Допустим, оно равно 72 мВ. После этого подсчитывают коэффициент гармоник по ранее приведенной формуле:

Теперь, пользуясь амплитудной характеристикой, определяем чувствительность усилителя. Так как U вх при Р ном равно 90 мВ, следовательно, номинальная чувствительность усилителя также равна 90 мВ,

Схема соединения приборов с усилителем для измерения частотной характеристики остается прежней (см. рис. 1). Исходная частота входного сигнала та же - 1000 Гц. Ручкой Амплитуда генератора устанавливаем напряжение U вх, равное 20 мВ, которое в дальнейшем поддерживаем постоянным на всех частотах (это напряжение, которое почти в пять раз меньше номинальной чувствительности усилителя, выбрано для удобства отсчета результатов измерений по шкале стрелочного прибора авометра). Затем, переключив вольтметр на выход усилителя, измеряем напряжение на эквиваленте нагрузки R э. Результаты измерений записываем в табл. 2 в две строки: в первой - частоты f входного сигнала, во второй- выходные напряжения U вых. В заголовке таблицы пишем название усилителя, сопротивление эквивалента нагрузки R э, входное напряжение U вх, при котором производим измерения (в данном примере 20 мВ).

Записав результаты измерений на частоте 1000 Гц, переключаем генератор НЧ на частоту пустим, оно равно 72 мВ. После этого подсчитывают коэффициент гармоник по ранее приведенной формуле:

Теперь, пользуясь амплитудной характеристикой, определяем чувствительность усилителя. Так как U вх при Р ном равно 90 мВ, следовательно, номинальная чувствительность усилителя также равна 90 мВ.

Частотную характеристику, усилителя измеряют при выходной мощности, значительно меньшей номинальной, что устраняет какие-либо перегрузки усилителя. Частотные характеристики усилителей промышленных приемников, например, измеряют при выходной мощности 50 и даже 5 мВт.

Если усилитель сравнительно простой и не имеет каких-либо регуляторов тембра, то регулятор громкости ставят на максимум и во время снятия частотной характеристики его положение не изменяют. При наличии тонкомпенсированного регулятора громкости частотную характеристику снимают при максимальной, минимальной и нескольких, по желанию конструктора, промежуточных положениях регулятора громкости.

Схема соединения приборов с усилителем для измерения частотной характеристики остается прежней (см. рис. 1). Исходная частота входного сигнала та же - 1000 Гц. Ручкой Амплитуда генератора устанавливаем напряжение U вх, равное 20 мВ, которое в дальнейшем поддерживаем постоянным на всех частотах (это напряжение, которое почти в пять раз меньше номинальной чувствительности усилителя, выбрано для удобства отсчета результатов измерений по шкале стрелочного прибора авометра). Затем, переключив вольтметр на выход усилителя, измеряем напряжение на эквиваленте нагрузки R э. Результаты измерений записываем в табл. 2 в две строки: в первой - частоты f входного сигнала, во второй - выходные напряжения U вых. В заголовке таблицы пишем название усилителя, сопротивление эквивалента нагрузки R э, входное напряжение U вх, при котором производим измерения (в данном примере 20 мВ).

Записав результаты измерений на частоте 1000 Гц, переключаем генератор НЧ на частоту 500 Гц. Проверяем вольтметром входное напряжение 20 мВ, затем возможно точнее измеряем выходное напряжение усилителя на эквиваленте нагрузки R э. Далее точно также производим измерения на частотах 250, 150, 100, 75, 50 Гц и записываем результаты измерений в таблицу (любительские усилители на частоте 25 Гц обычно не проверяют). После этого проводим повторное контрольное измерение на частоте 1000 Гц для проверки стабильности работы усилителя и измерительных приборов.

Затем измерения производим на повышенных частотах. После контрольной частоты 1000 Гц на вход усилителя подаем сигналы с частотами 2,5; 5; 7,5; 10; 15 кГц (измерения на частоте 20 кГц производят лишь при проверке усилителей высшего класса). Результаты измерений записываем в таблицу и по ним производим подсчет отношений выходных напряжений U вх к напряжению контрольной частоты U1000. Полученные отношения записываем в соответствующей строке таблицы.

Например. На частотах 50 Гц и 15 кГц выходное напряжение U вых = 300 мВ. Следовательно, отношения

На частотах 100 Гц и 10 кГц имеем отношения

Теперь, имея все предварительные данные, приступаем к вычерчиванию частотной характеристики усилителя (рис. 4). Обычно для этой цели применяют специальную логарифмическую бумагу (слуховое восприятие звуков различной частоты и громкости подчиняется логарифмическому закону). Однако для построения частотной характеристики можно воспользоваться любой бумагой в клеточку или бумагой-миллиметровкой. Ее размечают так, как показано на рис. 4. Сначала по горизонтальной оси ординат наносим значения частот. На рис. 4 верхний ряд цифр соответствует фиксированным частотам генератора НЧ Лаборатории радиолюбителя. Нижний ряд цифр, выделенный цветом, соответствует частотам, рекомендуемым ГОСТ при снятии характеристик с помощью промышленной измерительной аппаратуры.

Затем по вертикальной оси, предварительно сделав на ней 8-10 равноотстоящих друг от друга отметок, - отношения U f /U 1000 в децибелах. Так как измеренный нами спад или завал частотной характеристики не превышает 6 дБ, то нулевую линию проводим на уровне 6-й отметки и слева ставим цифры 0, -1, -2... -6 дБ. Проводим также линию контрольной частоты 1000 Гц. Далее, пользуясь данными табл. 2, последовательно ставим отметки на измерительных частотах от 50 Гц до 15 кГц. Так как характеристика имеет по краям спады, то отметки в децибелах откладываем вниз от нулевой линии. Например, на частоте 50 Гц был спад в 6 дБ, следовательно, отметку ставим на уровне - 6 дБ. Для частоты 75 Гц отметку располагаем на уровне - 3 дБ и т. д. Плавная линия, проведенная через эти отметки, и будет частотной характеристикой. Горизонтальная линия на уровне -3 дБ, соответствующая общепринятому допуску на неравномерность частотной характеристики, пересекает эту характеристику на частотах 75 Гц и примерно 12 кГц. Следовательно, полоса усиливаемых частот, или полоса пропускания проверяемого усилителя, равна 75-12 000 Гц при неравномерности в 3 дБ.

Высококачественные усилители НЧ, кроме регуляторов громкости, имеют обычно два раздельных регулятора тембра - по низшим и высшим частотам. Частотные характеристики таких усилителей снимают не менее трех раз. Сначала оба регулятора тембра устанавливают в положения, соответствующие наибольшему завалу крайних низших и высших частот. Полученная характеристика Может иметь вид кривой, обозначенной на рис. 5 цифрой 1. Затем ручки обоих регуляторов тембра поворачивают в другое крайнее положение, соответствующее максимальному подъему низших и высших частот, а измерения производят при входном напряжении, которое в десять раз (на 20 дБ) меньше номинального. Эта характеристика может иметь вид кривой 2 (рис. 5).

После этого ручки обоих регуляторов устанавливают в средние положения и производят третье измерение. Если полученная характеристика соответствует или близка к кривой 3, то на этом измерения заканчивают. Если же она значительно отличается от этой кривой, тогда путем проб находят такие положения ручек регуляторов, при котором характеристика получается наиболее прямолинейной, и на ручках регуляторов делают соответствующие отметки.

Из графика рис. о ясно видно, что для усилителя НЧ, имеющего такие характеристики, предел регулировки тембра на низшей частоте 63 Гц (по ГОСТ) составляет +6 и -6 дБ, а на высшей, равной 12 кГц,- примерно от +5 до -10 дБ.

Для измерения чувствительности , выходной мощности и коэффициента гармоник усилителя нужны осциллограф, вольтметр переменного тока, звуковой генератор (ЗГ ) и эквивалент нагрузки исследуемого усилителя. Последний представляет собой проволочный резистор, сопротивление которого равно полному сопротивлению звуковой катушки динамической головки (или громкоговорителя) усилителя. Его мощность рассеяния должна быть не меньше мощности динамической головки (если в громкоговорителе усилителя несколько головок, то их общей мощности).

Измерение коэффициента гармоник, вносимые усилителем в сигнал, оценивают по методике, используя любой низкочастотный осциллограф. В этом случае измерения начинают со снятия амплитудной характеристики усилителя - зависимости выходного напряжения U вых усиливаемого сигнала частотой 1000 Гц от входного напряжения U вх при постоянной нагрузке R н , равной сопротивлению ее эквивалента R .

Схема соединения измерительных приборов с усилителем, амплитудную характеристику которого надо снять, приведена на рис. 1, а. Усилитель и звуковой генератор должны питаться от отдельных источников. К выходу усилителя вместо динамической головки (или громкоговорителя) подключают эквивалент нагрузки R э , а к нему вход «Y» осциллографа. Регулятор громкости устанавливают на максимум и подают на вход усилителя от звукового генератора сигнал частотой 1000 Гц напряжением 30-40 мВ. Развертку горизонтального отклонения луча осциллографа устанавливают такой, чтобы на его экране хорошо просматривалось изображение одного колебания. Измерив входное напряжение U вх , вольтметр переменного тока PU переключают на эквивалент нагрузки R э и измеряют выходное напряжение усилителя U вых . Результаты измерений фиксируют (см. табл.).

Амплитудная характеристика усилителя (условия измерения)

Рис. 1. Схема измерения основных параметров усилителя ЗЧ

Не изменяя частоту сигнала ЗГ , увеличивают ступенями через каждые 10 мВ его напряжение, заносят в таблицу результаты измерений. Входное напряжение увеличивают до тех пор, пока на экране не появится заметное на глаз срезание «верхушек» синусоиды (рис. 2, б). Это явление происходит из-за симметричного ограничения напряжения выходного сигнала и сопровождается увеличением коэффициента гармоник усилителя примерно до 10%. Оно означает, что выходная мощность достигла максимальной Р макс . После этого входной сигнал ЗГ уменьшают до пропадания заметных на глаз искажений синусоиды и считают, что при этом усилитель отдает нагрузке номинальную выходную мощность P ном . Выходные напряжения на эквиваленте нагрузки, соответствующие максимальной Р ма х и номинальной Р ном выходным мощностям, в таблице следует выделить.

Рис. 2. Построение амплитудной характеристики усилителя 3Ч

Далее по результатам измерений, занесенным в таблицу, строят амплитудную характеристику усилителя (рис. 2). До точки «а» она прямолинейна, а затем начинает отклоняться вниз, что говорит о нарушении пропорциональности между входным и выходным напряжениями усилителя и появлении искажений усиливаемого сигнала. Теперь, пользуясь формулой Р вых = U вых 2 /R н , можно подсчитать выходную мощность усилителя для различных значений U вых . На рис. 2 параллельно оси U вых слева помещена вторая вертикальная ось Р вых , на которой отмечены расчетные выходные мощности усилителя в ваттах.

Рис. 3. Схема измерения коэффициента гармоник

Точка «а» на графике, с которой начинается перегиб амплитудной характеристики, обычно соответствует номинальной выходной мощности усилителя. По амплитудной характеристике можно определить и численное значение чувствительности усилителя - оно соответствует значению U вх при Р ном .

Численное значение коэффициента гармоник К г усилителя ЗЧ можно измерить с помощью заградительного фильтра L1C1C2 (рис. 3), настроенного на основную частоту 1000 Гц, который включают между выходом усилителя, нагруженного на эквивалент нагрузки R9, и вольтметром переменного тока PU . Катушку L1 этого фильтра, содержащую 290 витков провода ПЭВ-2, наматывают на ферритовом кольце 2000НМ типоразмера К20х12х6 с помощью челнока. Конденсаторы С1 и С2 фильтра типа МБМ или КБ.

Сначала переключатель «S» устанавливают в положение «1», соответствующее отключенному фильтру, и вольтметром PU измеряют напряжение U вых . Допустим, U вых равно 3 В (3000 мВ). Затем, переведя переключатель «S» в положение «2», включают заградительный фильтр и измеряют напряжение гармоник U г . Предположим, что это напряжение будет 70 мВ. Коэффициент гармоник К г подсчитывают по приведенной ранее приближенной формуле:

К г ≈ U г / U вых ∙ 100% ≈ 70 ∙ 100 / 3000 ≈ 2,3%,

где:

К г – коэффициент гармоник, [ %];

U г – напряжение гармоник, [мВ];

U вых – выходное напряжение [ мВ ] .

По такой методике можно с достаточной точностью измерить чувствительность, выходную мощность и коэффициент гармоник практически любого усилителя ЗЧ. Для стереофонического усилителя параметры каждого канала измеряют раздельно, сравнивают и, если надо, выравнивают соответствующим подбором деталей и режимов работы транзисторов.

Под выходной мощностью УНЧ понимают наибольшую мощность, отдаваемую усилителем нагрузке при нелинейных искажениях, не превышающих заданной для данного усилителя величины.

В любительских условиях выходную мощность УНЧ определяют косвенным путем: сначала измеряют сопротивление нагрузки и переменное напряжение на ней, а затем вычисляют мощность по формуле:

Рвых=Uн2RнВт,

Где Uн – переменное напряжение на нагрузке, В.

Rн – сопротивление нагрузки, Ом.

Напряжение Uн измеряют высокоомным вольтметром, а с измерением сопротивления Rн будет посложнее. Полное сопротивление катушки на заданной частоте чаще всего определяют с помощью звукового генератора (ЗГ) и электронного вольтметра (В), иногда используют осциллограф, о чем написано чуть ниже. Измерительные приборы присоединяют к громкоговорителю так, как показано на рисунке ниже:

Сопротивление резистора R, выбираем в пределах 10-20 Ом, должно быть известно. Определение полного сопротивления катушки (Zк) заключается в измерении двух напряжений.

Сначала измеряют падение напряжения на катушке Uк. Затем переносят верхний (по схеме) проводник вольтметра из точки В в точку А, измеряя таким образом падение напряжения Uвых на последовательно соединенных резисторе R и звуковой катушке.

Так как падения напряжения на последовательно соединенных элементах пропорциональны их сопротивлениям, то можно написать:

UвыхUк=R+ZкZк,

Откуда полное сопротивление катушки:

Zк=RUвыхUк-1.

Определить сопротивление катушки динамика, если при включении последовательно с ней резистора сопротивлением 15 Ом стрелка вольтметра отклонилась в первый раз до отметки шкалы «0,85», а во второй раз, то есть при измерении напряжения на выходе генератора – до отметки шкалы «3»

РЕШЕНИЕ. В соответствии с формулой полное сопротивление звуковой катушки:

Zк=1530,85-1=5,9 Ома.

C сопротивлением Rн разобрались, Zк и есть нужное нам Rн. (Zк= Rн).

Теперь измерим переменное напряжение на нагрузке Uн.

Для этого устанавливаем ручку регулятора громкости усилителя в положение, соответствующее максимальному усилению, и присоединяю к нагрузке вольтметр. Затем подают на вход усилителя от звукового генератора напряжение такой величины, при которой громкоговоритель не перегружается и громко, но без искажений, воспроизводит звук, соответствующий установленной частоте генератора. По достижении максимально неискаженного звучания записывают показания вольтметра, которое и принимают равным максимально допустимому напряжению (Uн) на нагрузке.

Подставив полученные Rн и Uн в самую первую формулу, получим выходную мощность усилителя.

При измерении Rн и Uн оказалось:

1.Сопротивление нагрузки равно Rн = 5,1 Ом,

2.Эффективное значение напряжения на нагрузке Uн = 2,3 В,

3.Просматриваемая на экране осциллографа синусоидальная кривая выходного напряжения начинает искажаться при U’н = 2,35 В.

В таком случае выходная мощность равна:

Рвых=2,2525,11 Вт

В последнем измерении был использован осциллограф, но его можно не применять. Начало искажений можно определить на слух, но с осциллографом будет точнее.

Измерение напряжения и тока на промышленной частоте может быть выполнено любыми вольтметрами и амперметрами, работающими на частоте 50 Гц, но только когда объект измерения мощный. Такие измерения выполняются в основном электромагнитными и электродинамическими вольтметрами и амперметрами.

Для измерения напряжения на переменной частоте применяют компенсаторы переменного тока . Чтобы уравновесить измеряемое напряжениеu х =U х e jφ x компенсирующим напряжениемu к =U к e jφ к, необходимо выполнение следующих условий: равенство напряженийU x =U к по модулю; противоположность их фаз (φ х -φ к =180º); равенство частот; одинаковая форма измеряемого и компенсирующего напряжений. Компенсаторы переменного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока, так как отсутствует эталон ЭДС переменного тока.

II. Измерение напряжения на повышенной и высокой частотах.

Измерение напряжения на повышенной и высокой частотах осуществляется вольтметрами, работающими в указанном диапазоне частот, а также электронными осциллографами.

Осциллографы – приборы, чувствительные к напряжению, поэтому все измерения, выполняемые ими, сводятся к измерению отклонения электронного луча под действием приложенного напряжения. Для конкретного исследования сигнала необходимо правильно выбрать тип осциллографа, выполнив условие согласования, подключить осциллограф к объекту измерения, заземлить, а затем определить вид синхронизации, ее амплитуду, режим развертки, длительность, коэффициент отклонения. От правильного учета возможных искажений и погрешностей зависит точность полученных результатов измерений.

III. Измерение тока в цепях повышенной и высокой частоты.

С увеличением частоты точность измерения переменного тока электромагнитными и электродинамическими амперметрами в обычном исполнении падает. Приборы специального изготовления имеют расширенный диапазон частот (до 10 кГц) и используются для измерения токов в мощных цепях.

Рисунок 7.

Измерение токов в цепях высокой частоты выполняется в основном термоэлектрическими амперметрами .

Термоамперметры – сочетание термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя. При протекании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, константан и т.д.), выделяется тепло, под действием которого нагревается горячий спай термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС.

Термо-ЭДС зависит от материала проводников термопары и пропорциональна разности температур горячего и холодного концов, т.е. пропорциональна температуре перегрева θ: Е Т =kθ.

В среднем Е Т равно 30-40 мкВ на 1ºС перегрева. Вследствие инерции нагревателя температура перегрева не успевает следовать за изменениями подводимого тепла и определяется его средним значением:

(5)

Если холодные концы термопары замкнуть на измерительный магнитоэлектрический механизм, то по замкнутой цепи измерителя потечет ток I И =E T /R И =(k 1 I 2)/R И =k 2 I 2 , (6)

Где I– среднеквадратичное значение тока;R И – сопротивление цепи измерителя, включая термопару;k 1 ,k 2 - коэффициенты пропорциональности, зависящие соответственно от свойств термопары и данных измерительного механизма.

Так как в (6) значение измеряемого тока входит в квадрате, то прибор пригоден для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала прибора градуируется в среднеквадратичных значениях тока.

Рисунок 8.

Данный тип приборов позволяет проводить измерения переменного тока в диапазоне частот 50 Гц – 200 МГц и диапазоне токов от 100 мкА до десятков ампер. Кроме того, термоамперметры позволяют измерять постоянный и несинусоидальный токи (в последнем случае показания будут приближенно соответствовать среднеквадратичному значению тока, т.е.
).

ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Процесс определения амплитудных и временных параметров импульсных сигналов с помощью осциллографа длителен и выполняется с большой погрешностью. Более высокую точность измерения амплитуды импульса при удобной и быстрой индикации обеспечивают аналоговые и цифровые импульсные вольтметры. В связи с повышением быстродействия импульсных устройств диапазон длительности импульсов уменьшился с микросекундного до нано- и пикосекундного, одновременно уменьшилась амплитуда импульсов до значений 0,01 – 1 В, характерных для полупроводниковых приборов, микромодульных и интегральных схем.

Диапазон частот повторения импульсов простирается от одиночных импульсов (частота повторения доли герца) до сотен мегагерц. Все специализированные измерители импульсных напряжений наносекундного диапазона имеют на входе широкополосные преобразователи импульсов, которые их расширяют, сужая тем самым спектр частот. В качестве преобразователя импульсов используют чувствительные полупроводниковые диоды, у которых имеются участки вольт-амперной характеристики с наименьшим радиусом кривизны, характеризующей переход от запертого к открытому состоянию. Включенные после преобразователей импульсные вольтметры могут быть узкополосными, так как работают с уже преобразованными сигналами.

Измерение импульсного напряжения диодно-конденсаторным вольтметром.

Импульсный диодно-конденсаторный вольтметр работает как электронный вольтметр синусоидального напряжения и выполняется по схеме преобразователь пикового значения – усилитель постоянного тока – магнитоэлектрический измерительный прибор.

Если на вход преобразователя подать периодическую последовательность прямоугольных импульсов (рис. 9), то конденсатор С заряжается во время t И существования импульса на входе, а в промежутке между импульсами Т -t И медленно разряжается на резистор сопротивлениемR. Если же времяt И будет мало, а Т велико, то за время действия короткого импульса конденсатор не успевает полностью зарядиться, и среднее значение напряженияU C ср на конденсаторе за период Т повторения импульса может значительно отличаться от амплитудного (пикового) значенияU M измеряемого импульса.

Не так часто приходится узнавать именно частоту переменного тока, по сравнению с такими показателями, как напряжение и сила тока. Например, для того чтобы измерить силу тока можно воспользоваться измерительными клещами, для этого даже необязательно контактировать с токопроводящими частями, да и напряжение проверяет любой стрелочный или цифровой мультиметр. Однако, чтобы проверить частоту, с какой меняется полярность в цепях переменного тока, то есть количество его полных периодов, используется частотомер. В принципе, прибор с таким же названием может измерять и количество механических колебаний за определённый период времени, но в этой статье речь пойдёт исключительно об электрической величине. Далее мы расскажем, как проводится измерение частоты переменного тока мультиметром и частотомером.

Какие приборы можно использовать

Классификация частотомеров

Все данные приборы делятся на две основные группы по области их применения:

1. Электроизмерительные. Применяются для бытового или же производственного измерения частоты в цепях переменного тока. Их используют при частотной регулировке оборотов асинхронных двигателей, так как вид частотного измерения оборотов, в этом случае, самый эффективный и распространённый.
2. Радиоизмерительные. Нашли применение исключительно в радиотехнике и могут измерять широкий диапазон высокочастотного напряжения.

По конструкции частотомеры делятся на щитовые, стационарные и переносные. Естественно, переносные более компактные, универсальные и мобильные устройства, которые широко применяются радиолюбителями.

Для любого типа частотомера самыми важными характеристиками, на которые, в принципе, и должен обращать внимание человек при покупке, являются:

• Диапазон частот, которые прибор сможет измерить. При планировании работы именно со стандартной промышленной величиной 50 Гц, нужно внимательно ознакомиться с инструкцией, так как не все приборы её смогут увидеть.
• Рабочее напряжение в цепях, в которых будут проходить измерительные работы.
• Чувствительность, эта величина более важна для радиочастотных устройств.
• Погрешность, с которой он может производить замеры.

Мультиметр с функцией измерения частоты переменного тока

Самый распространенный прибор, с помощью которого можно узнать величину частотных колебаний и который находится в свободном широком доступе - это мультиметр. Нужно обращать своё внимание на его функциональные возможности, так как не каждый такой прибор сможет измерить частоту переменного тока в розетке или же другой электрической цепи.

Такой тестер выполняется чаще всего очень компактным, для того чтобы в сумке он легко помещался, и был максимально функциональным, измеряющим помимо частоты также напряжение, ток, сопротивление, а иногда даже температуру воздуха, ёмкость и индуктивность. Современный вид мультиметра и его схема основаны чисто на цифровых электронных элементах, для более точного измерения. Состоит такой мультиметр из:

• Жидкокристаллического информативного индикатора для отображения результатов измерения, расположенного, чаще всего, в верхней части конструкции.
• Переключателя, в основном, он выполнен в виде механического элемента, позволяющего быстро перейти от измерения одних величин к другим. Нужно быть очень осторожным, так как, допустим, если измерять напряжение, а переключатель будет стоять на отметке «I», то есть сила тока, тогда следствием этого неминуемо будет , которое приведёт не только к выходу со строя прибора, но может вызвать и термический ожог дугой рук и лица человека.
• Гнезд для щупов. С их помощью непосредственно происходит электрическая связь прибора с измеряемым токопроводящим объектом. Провода не должны иметь потрескиваний и изломов изоляции, особенно это касается их наконечников, которые будут находиться в руках измеряющего.

Хотелось бы также упомянуть о специальных приставках к мультиметру, которые существуют и разработаны специально для того, чтобы увеличить число функций обычного прибора со стандартным набором.

Как выполняется измерение частоты

Перед тем как пользоваться мультиметром, а в частности, частотомером, внимательно нужно ознакомиться ещё раз с теми параметрами, которые он имеет возможность измерять. Для того чтобы правильно произвести их замер нужно освоить несколько этапов:

1. Включить прибор соответствующей кнопкой на корпусе, чаще всего она выделена ярким цветом.
2. Установить переключатель на измерение частоты переменного тока.
3. Взяв в руки два щупа и подключив их, согласно инструкции в соответствующие гнёзда, произведём опробование измерительного устройства. Для начала нужно попробовать узнать частоту напряжения в стандартной сети 220 Вольт, она должна равняться 50 Гц (отклонение может быть в несколько десятых). Эта величина чётко контролируется поставщиком электрической энергии, так как при её изменении могут выйти из строя электроприборы. Поставщик отвечает за качество предоставляемой электроэнергии и строго соблюдает все её параметры. Кстати, такая величина является стандартной не во всех странах. Присоединив выводы частотомера к выводам розетки, на приборе высветится величина около 50 Гц. Если показатель будет отличаться, то это будет его погрешностью и при следующих измерениях это нужно будет обязательно учесть.

Другие альтернативные методы измерения

Самый эффективный и простой способ проверки частоты — это использование осциллографа. Именно осциллографом пользуются все профессиональные электронщики, так как на нём можно визуально увидеть не только цифры, но и саму диаграмму. При этом нужно обязательно отключить встроенный генератор. Новичку в электронике будет довольно проблематично выполнить данные измерения с помощью этого прибора. О том, мы рассказали в отдельной статье.

Второй вариант — это измерение с помощью конденсаторного частотомера, имеющего диапазон измерений 10 Гц-1 МГц и погрешность около 2%. Он определяет среднее значение тока разрядки и зарядки, которое будет пропорционально частоте и измеряется косвенно с помощью магнитоэлектрического амперметра, со специальной шкалой.

Ещё один метод называется резонансный и основан он на явлении резонанса, возникающего в электрическом контуре. Тоже имеет шкалу с механизмом точной подстройки. Однако промышленную величину в 50 Гц этим способом невозможно проверить, работает он от 50 000 Гц.

Также вы должны знать, что существует реле частоты. Обычно на предприятиях, подстанциях, электростанциях — это основное устройство, которым контролируют изменение частоты. Данное реле воздействует на другие устройства защиты и автоматики для поддержания частоты на необходимом уровне. Есть разные типы реле частоты с разным функционалом, об этом мы расскажем в других публикациях.

Все же мультиметры и электронные цифровые частотомеры работают на обычном счёте импульсов, которые являются неотъемлемой частью, как импульсного так и другого переменного напряжения, необязательно синусоидального за определенный промежуток времени, обеспечивая при этом максимальную точность, а также широчайший диапазон.