Jednotka merania elektrického napätia. Prúd a napätie. Typy a pravidlá. Prevádzka a vlastnosti. Napätie v obvodoch trojfázového prúdu
Jednotka napätia
Najprv si stručne zopakujeme pojem napätie a jednotky napätia. Elektrický prúd možno považovať za riadený pohyb elektrónov spôsobený elektrickým poľom.
Jednotka napätia
Čím väčší je počet pohybujúcich sa elektrónov, tým viac práce vykoná elektrické pole. Okrem prúdu ovplyvňuje činnosť elektrického poľa aj napätie.
Táto práca zahŕňa presun elektrónov z bodu s nízkym potenciálom do bodu, kde je náboj na elektrónoch väčší. Inými slovami, napätie možno považovať za potenciálny rozdiel a je určené pomerom:
U = A/q kde: A je vyjadrené v jouloch ako práca elektrického poľa a q je náboj elektrónov v coulombách.
Odkiaľ pochádza jednotka napätia:
1B = 1 J/1C. To znamená, že jednotka merania napätia je 1 volt.
V elektrickej sieti obytných budov sa používa štandardné fázové napätie 220 V alebo lineárne trojfázové napätie 380 V.
Meranie napätia pomocou multimetra
Na meranie napätia potrebujete multimeter, tester alebo voltmeter. Multimeter je vhodný na použitie pri inštalácii elektrického vedenia, testovaní káblov, opravách zásuviek, lustrov a spínačov. Multimeter sa tak stal nevyhnutným zariadením v každej domácnosti.
Existujú tri druhy napätia – striedavé napätie (ACV), jednosmerné napätie (DCV) a impulzné napätie. Pulzné napätie má viacero parametrov a najlepšie sa kontroluje osciloskopom. Na kontrolu impulzného napätia v polohe prepínača DCV môžete použiť multimeter, ale len čisto podmienene. Pri opravách spínaných zdrojov použite osciloskop.
Vo väčšine bytov a domov má elektrická sieť 220 V. Pri meraní striedavého napätia je prepínač typu merania nastavený na V ~. Ak je známe namerané striedavé napätie, potom sa limit merania nastaví do príslušnej polohy a ak jeho hodnota nie je známa, potom sa prepínač nastaví na maximálny limit 750 V.
Poloha prepínača pri meraní napätia
Pred meraním napätia pomocou multimetra sa čierna sonda zasunie do zásuvky COM a červená zásuvka do VΩmA. Pri meraní sa nedotýkajte rukami kovových častí sond a neskratujte ich, aby ste predišli skratu. Multimetrová zásuvka 10A je určená na meranie jednosmerného prúdu do 10A.
V tomto prípade sa červená sonda zasunie do zásuvky 10 A, čierna zostane v zásuvke COM a prepínač sa nastaví do polohy 10 A. Pri meraní jednosmerného napätia sú sondy umiestnené v rovnakých zásuvkách ako pri meranie striedavého napätia, pričom voľba režimu merania sa nastaví do polohy V – zodpovedajúca medza.
Použité napäťové zásuvky
V tomto prípade by mali byť sondy nastavené na vhodnú polaritu, červená sonda na plus (+) meraného zdroja a čierna sonda na mínus (-). Ak sú sondy zmiešané, nestane sa nič zlé, iba multimeter zobrazí znamienko mínus (-) pred číslom. Pre striedavé napätie nezáleží na polarite sond. V každodennom živote sa merania jednosmerného napätia vykonávajú pri kontrole batérií, akumulátorov a opravách domácich spotrebičov.
Ako skontrolovať napätie v zásuvke pomocou multimetra
Na meranie napätia v zásuvke je potrebné vykonať rovnaké operácie s multimetrom ako pri meraní striedavého napätia. Keďže do zásuvky je privádzané striedavé napätie 220 V, s určitými odchýlkami je limit merania nastavený na 750 V. Čierna sonda by mala byť v zásuvke COM a červená vo VΩmA. Opatrne, bez toho, aby ste sa rukami dotkli kovových koncov sond, ich vložte do zásuviek zásuvky. Na displeji sa zobrazí sieťové napätie.
Meranie napätia v zásuvke
Na určenie fázy v zásuvke môžete použiť aj multimeter. Za týmto účelom sa jedna sonda priloží na zem, na tretí uzemňovací kontakt zásuvky, a druhá sonda sa postupne zasunie do zásuviek zásuvky, kým sa na displeji nezobrazí sieťové napätie. Táto zásuvka bude obsahovať fázu a druhá bude obsahovať neutrál. Je možné, že v tejto zásuvke nebude žiadne napätie. Znamená to poruchu v samotnej zásuvke alebo v elektrických vodičoch, ktoré sú k nej pripojené.
Všeobecné informácie. Potreba merať napätie v praxi vzniká veľmi často. V elektrických a rádiových obvodoch a zariadeniach sa najčastejšie meria napätie jednosmerného a striedavého (sínusového a impulzného) prúdu.
Jednosmerné napätie (obr. 3.5, A) sa vyjadruje ako . Zdrojom takéhoto napätia sú generátory jednosmerného prúdu a chemické napájacie zdroje.
Ryža. 3.5. Časové diagramy napätia: jednosmerný (a), striedavý sínusový (b) a striedavý impulzný (c) prúd
Striedavé napätie sínusového prúdu (obr. 3.5, b) sa vyjadruje ako 
a je charakterizovaná efektívnou hodnotou a hodnotami amplitúdy:
Zdrojom takéhoto napätia sú nízko a vysokofrekvenčné generátory a elektrická sieť.
Napätie striedavého impulzného prúdu (obr. 3.5 V) je charakterizovaná hodnotami amplitúdy a priemeru (konštantná zložka) napätia. Zdrojom takéhoto napätia sú impulzné generátory so signálmi rôznych tvarov.
Základnou jednotkou merania napätia je volt (V).
V praxi elektrických meraní sa široko používajú viacnásobné a viacnásobné jednotky:
Kilovolt (1 kV - V);
milivolt (1 mV - V);
Mikrovolt (1 uV - V).
Medzinárodné označenia jednotiek napätia sú uvedené v prílohe 1.
V katalógovej klasifikácii sú elektronické voltmetre označené nasledovne: B1 - vzorový, B2 - jednosmerný prúd, VZ - striedavý sínusový prúd, B4 - striedavý impulzný prúd, B5 - fázovo citlivý, B6 - selektívny, B7 - univerzálny.
Na stupniciach analógových indikátorov a na predných paneloch (na koncových spínačoch) domácich a zahraničných elektronických a elektromechanických voltmetrov sa používajú tieto označenia: V - voltmetre, kV - kilovoltmetre, mV - milivoltmetre, V - mikrovoltmetre.
Meranie jednosmerného napätia. Na meranie jednosmerného napätia sa používajú elektromechanické voltmetre a multimetre, elektronické analógové a digitálne voltmetre a elektronické osciloskopy.
Elektromechanické voltmetre Priame vyhodnotenie nameranej hodnoty predstavuje veľkú triedu zariadení analógového typu a má nasledujúce výhody:
Schopnosť pracovať bez pripojenia k zdroju energie;
Malé celkové rozmery;
Nižšia cena (v porovnaní s elektronickými);
Jednoduchosť dizajnu a jednoduchosť obsluhy.
Najčastejšie sa pri vykonávaní elektrických meraní v silnoprúdových obvodoch používajú voltmetre na báze elektromagnetických a elektrodynamických systémov a v slaboprúdových obvodoch magnetoelektrický systém. Keďže všetky vyššie uvedené systémy sú samy o sebe merače prúdu (ampérmetre), na vytvorenie voltmetrov na ich základe je potrebné zvýšiť vnútorný odpor zariadenia, t.j. zapojte prídavný odpor do série s meracím mechanizmom (obr. 3.6, A).
Voltmeter je zapojený do testovaného obvodu paralelne (obr. 3.6, b), a jeho vstupná impedancia musí byť dostatočne veľká.
Na rozšírenie meracieho rozsahu voltmetra slúži aj prídavný rezistor, ktorý je k prístroju zapojený sériovo (obr. 3.6, Obr. V).
Hodnota odporu prídavného odporu je určená vzorcom:
 |
Ryža. 3.6. Schéma na vytvorenie voltmetra na základe ampérmetra ( A), pripojenie voltmetra k záťaži ( 6 ), pripojenie dodatočného odporu k voltmetru ( V)
(3.8)
Kde je číslo, ktoré ukazuje, koľkokrát sa rozšíri limit merania voltmetra:
kde je pôvodný limit merania;
— nový limit merania.
Dodatočné odpory umiestnené vo vnútri tela zariadenia sa nazývajú interné, zatiaľ čo tie, ktoré sú pripojené k zariadeniu zvonku, sa nazývajú externé. Voltmetre môžu byť viacrozsahové. Medzi limitom merania a vnútorným odporom voltmetra s viacerými limitmi existuje priamy vzťah: čím väčší je limit merania, tým väčší je odpor voltmetra.
Elektromechanické voltmetre majú nasledujúce nevýhody:
Obmedzený rozsah merania napätia (aj vo viacrozsahových voltmetroch);
Nízky vstupný odpor, teda veľká vnútorná spotreba energie zo skúmaného obvodu.
Tieto nevýhody elektromechanických voltmetrov určujú preferované použitie elektronických voltmetrov na meranie napätia v elektronike.
Elektronické analógové DC voltmetre postavené podľa schémy znázornenej na obr. 3.7. Vstupné zariadenie pozostáva z emitorového sledovača (na zvýšenie vstupného odporu) a atenuátora - deliča napätia.
Výhody elektronických analógových voltmetrov v porovnaní s analógovými sú zrejmé:
Ryža. 3.7. Bloková schéma elektronického analógového jednosmerného voltmetra
Široký rozsah merania napätia;
Veľký vstupný odpor, preto nízka vlastná spotreba energie zo skúmaného obvodu;
Vysoká citlivosť vďaka prítomnosti zosilňovača na vstupe zariadenia;
Nemožnosť preťaženia.
Elektronické analógové voltmetre však majú niekoľko nevýhod:
Dostupnosť zdrojov energie, väčšinou stabilizovaná;
Znížená relatívna chyba je väčšia ako u elektromechanických voltmetrov (2,5-6%);
Veľká hmotnosť a rozmery, vyššia cena.
V súčasnosti sa analógové elektronické jednosmerné voltmetre široko nepoužívajú, pretože ich parametre sú výrazne horšie ako digitálne voltmetre.
meranie striedavého napätia.
Na meranie striedavého napätia sa používajú elektromechanické voltmetre a multimetre, elektronické analógové a digitálne voltmetre a elektronické osciloskopy.
Uvažujme o lacných a pomerne presných elektromechanických voltmetroch. Odporúča sa to robiť vo frekvenčných rozsahoch.
Pri priemyselných frekvenciách 50, 100, 400 a 1000 Hz sa široko používajú voltmetre elektromagnetických, elektrodynamických, ferodynamických, usmerňovacích, elektrostatických a termoelektrických systémov.
Pri nízkych frekvenciách (do 15-20 kHz) sa používajú voltmetre usmerňovačov, elektrostatických a termoelektrických systémov.
Pri vysokých frekvenciách (až niekoľko desiatok megahertzov) sa používajú zariadenia elektrostatických a termoelektrických systémov.
Na elektrické merania sa široko používajú univerzálne prístroje - multimetre.
Multimetre(testery, ampér-volt-ohmmetre, kombinované prístroje) umožňujú merať množstvo parametrov: silu jednosmerného a striedavého prúdu, napätie jednosmerného a striedavého prúdu, odpor odporu, kapacitu kondenzátora (nie všetky prístroje), niektoré statické parametre nízkovýkonových tranzistorov (, , A).
Multimetre sú dostupné s analógovým a digitálnym čítaním.
Široké používanie multimetrov je vysvetlené nasledujúcimi výhodami:
Multifunkčnosť, t.j. Možnosť použitia ako ampérmetre, voltmetre, ohmmetre, faradometre, merače parametrov nízkovýkonových tranzistorov:
Široký rozsah meraných parametrov vďaka prítomnosti niekoľkých limitov merania pre každý parameter;
Možnosť použitia ako prenosné zariadenia, keďže nie je k dispozícii sieťové napájanie;
Malá hmotnosť a rozmery;
Všestrannosť (schopnosť merať striedavé a jednosmerné prúdy a napätia),
Multimetre majú aj niekoľko nevýhod:
Úzky frekvenčný rozsah použiteľnosti;
Veľký vlastný príkon z 1. skúmaného okruhu;
Veľká znížená chyba pre analógové (1,5, 2,5 a 4) a digitálne multimetre;
Nekonzistentnosť vnútorného odporu pri rôznych limitoch 4 meraní prúdu a napätia.
Podľa domácej katalógovej klasifikácie sú multimetre označené Ts43 a potom číslo modelu, napríklad Ts4352.
Na určenie vnútorného odporu analógového multimetra na priloženom limite merania je možné uviesť špecifický odpor v pase zariadenia 1. Napríklad v pase testera Ts4341 je rezistivita = 16,7 kOhm/V, limity merania pre jednosmerné napätie sú 1,5 - 3 - 6 - 15 V.
V tomto prípade je odpor multimetra na hranici 6 V DC určený vzorcom:
Pas zariadenia môže obsahovať informácie potrebné na výpočet odporu podľa Ohmovho zákona.
Ak sa tester používa ako voltmeter, jeho vstupný odpor je určený vzorcom:
kde je zvolený limit merania;
Aktuálna hodnota vo vybranom limite (uvedená na zadnom paneli zariadenia alebo v jeho pase).
Ak sa tester používa ako ampérmeter, jeho vstupný odpor je určený vzorcom:
Kde je zvolený limit merania;
— hodnota napätia uvedená na zadnom paneli zariadenia alebo v jeho údajovom liste.
Napríklad pas testera Ts4341 ukazuje pokles napätia na zariadení rovný 0,3 V v rozsahu 0,06 - 0,6 - 6 - 60 - 600 mA DC a pokles napätia 1,3 V v rozsahu: 0,3 - 3 - 30 - 300 mA AC. Vstupná impedancia multimetra v limite 3 mA AC bude
Elektronické analógové AC voltmetre sú postavené podľa jednej z blokových schém (obr. 3.8), ktoré sa líšia postupnosťou usporiadania hlavných blokov - zosilňovača a prevodníka (detektora) striedavého napätia na jednosmerné napätie. Vlastnosti týchto voltmetrov do značnej miery závisia od zvoleného obvodu.
Ryža. 3.8. Blokové schémy elektronických analógových voltmetrov striedavého prúdu typu U-D ( A) a zadajte D-U (b)
Voltmetre prvej skupiny - typ zosilňovača-detektora (A-D) - majú vysokú citlivosť, ktorá je spojená s prítomnosťou prídavného zosilňovača. Preto sú všetky mikro- a milivoltmetre postavené podľa obvodu V-D. Frekvenčný rozsah takýchto voltmetrov však nie je široký (až niekoľko megahertzov), pretože vytvorenie širokopásmového AC zosilňovača je spojené s určitými ťažkosťami. Voltmetre typu U-D sú klasifikované ako neuniverzálne (podskupina VZ), t.j. dokáže merať iba striedavé napätie.
Voltmetre druhej skupiny - typu detektor-zosilňovač (D-A) - majú široký frekvenčný rozsah (až niekoľko gigahertzov) a nízku citlivosť. Voltmetre tohto typu sú univerzálne (podskupina B7), t.j. merať napätie nielen striedavého prúdu, ale aj jednosmerného prúdu; môže merať napätie na významnej úrovni, pretože nie je ťažké zabezpečiť vysoký zisk pomocou CNT.
V oboch typoch voltmetrov dôležitú funkciu plnia meniče striedavého napätia na jednosmerné napätie - detektory, ktoré na základe funkcie premeny vstupného napätia na výstupné napätie možno klasifikovať do troch typov: amplitúda, efektívna a efektívna rektifikovaná hodnota. .
Vlastnosti zariadenia do značnej miery závisia od typu detektora. Voltmetre s detektorom hodnoty amplitúdy sú najfrekvenčnejšie; voltmetre s detektorom efektívnej hodnoty umožňujú merať striedavé napätie akéhokoľvek tvaru; voltmetre s detektorom priemernej rektifikovanej hodnoty sú vhodné na meranie napätia len harmonického signálu a sú najjednoduchšie, najspoľahlivejšie a lacné.
Detektor hodnoty amplitúdy je zariadenie, ktorého výstupné napätie zodpovedá hodnote amplitúdy meraného signálu, čo je zabezpečené uložením napätia na kondenzátore.
Aby obvod skutočnej záťaže akéhokoľvek detektora efektívne filtroval užitočný signál a potláčal nežiaduce vysokofrekvenčné harmonické, musí byť splnená nasledujúca podmienka:
Alebo , (3.12)
kde je kapacita výstupného filtra;
— odolnosť proti zaťaženiu detektora.
Druhá podmienka pre dobrú činnosť detektora:
Obrázok 3.9 ukazuje blokovú schému a časové schémy výstupného napätia detektora hodnoty amplitúdy s paralelne zapojenou diódou a uzavretým vstupom. Detektor s uzavretým vstupom má sériovo zapojený kondenzátor, ktorý neumožňuje prechod jednosmernej zložky. Uvažujme o činnosti takéhoto detektora, keď je na jeho vstup privedené sínusové napätie .
Ryža. 3.9. Bloková schéma detektora hodnoty amplitúdy s paralelným zapojením diódy a uzavretým vstupom (A) a časové diagramy napätia (b) Keď príde kladná polvlna sínusovej vlny, kondenzátor S sa nabíja cez VD diódu, ktorá má pri otvorení nízky odpor.
Časová konštanta nabíjania kondenzátora je malá a kondenzátor sa rýchlo nabíja na svoju maximálnu hodnotu . Keď sa zmení polarita vstupného signálu, dióda sa uzavrie a kondenzátor sa pomaly vybije cez odpor záťaže, ktorý je zvolený veľký - 50-100 MOhm.
Výbojová konštanta sa teda ukáže byť výrazne väčšia ako perióda sínusového signálu. Výsledkom je, že kondenzátor zostáva nabitý na napätie blízke 
.
Zmena napätia na zaťažovacom odpore je určená rozdielom amplitúd vstupného napätia a napätia na kondenzátore 
.V dôsledku toho bude výstupné napätie pulzovať s dvojnásobnou amplitúdou meraného napätia (pozri obr. 3.9, b).
Potvrdzujú to nasledujúce matematické výpočty:
o , , o , o .
Na izoláciu konštantnej zložky signálu je výstup detektora pripojený ku kapacitnému filtru, ktorý potláča všetky ostatné prúdové harmonické.
Na základe vyššie uvedeného vyplýva záver: čím kratšia je perióda skúmaného signálu (čím vyššia je jeho frekvencia), tým presnejšie je splnená rovnosť. , čo vysvetľuje vysokofrekvenčné vlastnosti detektora. Pri použití voltmetrov s detektorom amplitúdovej hodnoty je potrebné mať na pamäti, že tieto zariadenia sú najčastejšie kalibrované v stredných štvorcových hodnotách sínusového signálu, t.j. hodnoty indikátora zariadenia sa rovnajú kvocientu hodnoty amplitúdy delenej faktorom amplitúdy sínusoidy:
kde je faktor amplitúdy.
RMS detektor(Obr. 3.10) prevádza striedavé napätie na jednosmerné napätie, úmerné druhej mocnine strednej štvorcovej hodnoty nameraného napätia. Meranie efektívnej hodnoty napätia preto zahŕňa vykonanie troch operácií: umocnenie okamžitej hodnoty signálu, spriemerovanie jeho hodnoty a odmocnenie z výsledku spriemerovania (posledná operácia je zabezpečená kalibráciou stupnice voltmetra). Umocnenie okamžitej hodnoty signálu sa zvyčajne vykonáva diódovým článkom pomocou kvadratickej časti jeho charakteristiky.
Ryža. 3.10. RMS detektor: A - diódový článok; b— CVC diódy
V diódovom článku VD, R1(pozri obr. 3.10, A) konštantné napätie je privedené na diódu VD tak, že zostane zatvorená tak dlho, ako je namerané napätie () na rezistore R2 nepresiahne hodnotu .
Počiatočný úsek prúdovo-napäťovej charakteristiky diódy je krátky (pozri obr. 3.10, b), Preto sa kvadratická časť umelo predlžuje metódou lineárnej aproximácie po častiach použitím niekoľkých diódových článkov.
Pri navrhovaní RMS voltmetrov vznikajú ťažkosti pri poskytovaní širokého frekvenčného rozsahu. Napriek tomu sú takéto voltmetre najobľúbenejšie, pretože dokážu merať napätie akéhokoľvek zložitého tvaru.
Opravený priemerný detektor premieňa striedavé napätie na jednosmerné napätie úmerné priemernej hodnote usmerneného napätia. Výstupný prúd meracieho zariadenia s takýmto detektorom je podobný výstupnému prúdu usmerňovacieho systému.
Striedavé napätie pracujúce v elektronických zariadeniach sa môže časom meniť podľa rôznych zákonov. Napríklad napätie na výstupe hlavného oscilátora pripojeného rádiového vysielača sa mení podľa sínusového zákona, na výstupe generátora osciloskopu majú impulzy pílovitý tvar a synchronizačné impulzy kompletného televízneho signálu sú pravouhlé. .
V praxi je potrebné vykonávať merania v rôznych úsekoch obvodov, ktorých napätia sa môžu líšiť hodnotou a tvarom. Meranie nesínusového napätia má svoje vlastné charakteristiky, ktoré je potrebné vziať do úvahy, aby sa predišlo chybám.
Je veľmi dôležité zvoliť správny typ prístroja a spôsob prepočtu údajov voltmetra na hodnotu požadovaného parametra meraného napätia. Aby ste to dosiahli, musíte jasne pochopiť, ako sa posudzujú a porovnávajú striedavé napätia a ako tvar napätia ovplyvňuje hodnoty koeficientov, ktoré súvisia s jednotlivými parametrami napätia.
Kritériom na posúdenie napätia striedavého prúdu akejkoľvek formy je spojenie so zodpovedajúcim napätím jednosmerného prúdu pre rovnaký tepelný efekt (efektívna hodnota U), definovaný výrazom
(3.14)
kde je doba opakovania signálu;
- funkcia, ktorá popisuje zákon zmeny okamžitej hodnoty napätia. Nie vždy je možné, aby mal operátor k dispozícii voltmeter, ktorým dokáže zmerať požadovaný parameter napätia. V tomto prípade sa požadovaný parameter napätia meria nepriamo pomocou existujúceho voltmetra pomocou koeficientov hrebeňa a tvaru. Uvažujme o príklade výpočtu potrebných parametrov sínusového napätia.
Je potrebné určiť amplitúdu () a stredné korigované () hodnoty sínusového napätia voltmetrom, kalibrované v stredných stredných hodnotách sínusového napätia, ak zariadenie ukázalo .
Výpočet vykonávame nasledovne. Keďže voltmeter je kalibrovaný v efektívnych hodnotách , potom v prílohe 3 pre toto zariadenie údaj 10 V zodpovedá priamemu odčítaniu na stupnici efektívnej hodnoty, t.j.
Striedavé napätie je charakterizované priemernými, amplitúdovými) (maximálnymi) a efektívnymi hodnotami.
Priemerná hodnota(konštantná zložka) po dobu striedavého napätia:
(3.15)
Maximálna hodnota je najväčšia okamžitá hodnota striedavého napätia počas periódy signálu:
Priemerná opravená hodnota - toto je priemerné napätie na výstupe plnovlnného usmerňovača so striedavým napätím na vstupe :
(3.17)
Pomer strednej odmocniny, priemernej a maximálnej hodnoty napätia striedavého prúdu závisí od jeho tvaru a vo všeobecnosti je určený dvoma koeficientmi:
(faktor amplitúdy), (3,18)
(faktor tvaru). (3,19)
Hodnoty týchto koeficientov pre napätia rôznych tvarov a ich pomery sú uvedené v tabuľke. 3.1
Tabuľka 3.1
Hodnoty a pre napätia rôznych tvarov
 |
Poznámka, - pracovný cyklus: .
V mnohých zariadeniach sa napätie nemeria v absolútnych jednotkách (V, mV, µV), ale v relatívnej logaritmickej jednotke - decibeloch (dB alebo dB). Na zjednodušenie prechodu z absolútnych jednotiek na relatívne jednotky a naopak väčšina analógových voltmetrov (samostatných a zabudovaných do iných zariadení: generátory, multimetre, merače nelineárneho skreslenia) má spolu s bežnou stupnicou decibelov. Táto stupnica sa vyznačuje jasne definovanou nelinearitou, ktorá v prípade potreby umožňuje okamžite získať výsledok v decibeloch, bez príslušných výpočtov a použitia prevodových tabuliek. Najčastejšie pre takéto zariadenia nulová decibelová stupnica zodpovedá vstupnému napätiu 0,775 V.
Napätie väčšie ako konvenčná nulová úroveň je charakterizované kladnými decibelmi, menšie ako táto úroveň - záporné. Na koncovom spínači sa každý merací podrozsah líši úrovňou od susedného o 10 dB, čo zodpovedá napäťovému faktoru 3,16. Údaje namerané na decibelovej stupnici sa algebraicky pripočítajú k údajom na koncovom spínači merania a nenásobia sa, ako v prípade odčítania absolútneho napätia.
Napríklad koncový spínač je nastavený na „- 10 dB“, zatiaľ čo šípka indikátora je nastavená na „- 0,5 dB“. Celková úroveň bude: ---- 10 + (- 0,5) = - 10,5 dB, A základom pre prevod napätia z absolútnych hodnôt na relatívne hodnoty je vzorec
(3.20)
Kde = 0,775 V.
Keďže bel je veľká jednotka, v praxi sa používa zlomková (desiata) časť bel – decibel.
Pulzné a digitálne voltmetre. Pri meraní impulzných napätí s malou amplitúdou sa používa predbežné zosilnenie impulzov. Bloková schéma analógového pulzného voltmetra (obr. 3.11) pozostáva zo vzdialenej sondy s emitorovým sledovačom, atenuátora, širokopásmového predzosilňovača, detektora amplitúdovej hodnoty, jednosmerného prúdového zosilňovača (DCA) a elektromechanického indikátora. Voltmetre implementované podľa tejto schémy priamo merajú napätie 1 mV - 3 V s chybou ± (4 - 10)%, trvaním impulzu 1 - 200 μs a pracovným cyklom 100 ... 2500.
Ryža. 3.11.t Bloková schéma pulzného voltmetra
Na meranie malých napätí v širokom rozsahu trvania (od nanosekúnd po milisekúndy) sa používajú voltmetre pracujúce na základe metódy autokompenzácie.
Elektronické digitálne voltmetre majú významné výhody oproti analógovým:
Vysoká rýchlosť merania;
Eliminácia možnosti subjektívnej chyby operátora;
Malá znížená chyba.
Vďaka týmto výhodám sú digitálne elektronické voltmetre široko používané na účely merania. Obrázok 3.12 zobrazuje zjednodušenú blokovú schému digitálneho voltmetra.
Ryža. 3.12. Zjednodušená bloková schéma digitálneho voltmetra
Vstupné zariadenie navrhnutý tak, aby vytvoril veľký vstupný odpor, zvolil limity merania, znížil rušenie a automaticky určil polaritu meraného jednosmerného napätia. V AC voltmetroch je súčasťou vstupného zariadenia aj menič striedavého napätia na jednosmerný prúd.
Z výstupu vstupného zariadenia sa privádza namerané napätie do analógovo-digitálny prevodník(ADC), pri ktorom sa napätie premieňa na digitálny (diskrétny) signál vo forme elektrického kódu alebo impulzov, ktorých počet je úmerný nameranému napätiu. Výsledok sa zobrazí na výsledkovej tabuli digitálny indikátor. Prevádzka všetkých blokov je riadená ovládacie zariadenie.
Digitálne voltmetre sa v závislosti od typu ADC delia do štyroch skupín: impulzný kód, časový impulz, frekvencia impulzov, priestorové kódovanie.
V súčasnosti široko používaný digitálne voltmetre s časovým impulzom , prevodníky, ktoré vykonávajú medzikonverziu meraného napätia na proporcionálny časový interval vyplnený impulzmi so známou opakovacou frekvenciou. Výsledkom tejto transformácie je, že diskrétny signál meracej informácie na vstupe ADC má podobu paketu čítacích impulzov, ktorých počet je úmerný meranému napätiu.
Chyba voltmetrov s časovým impulzom je určená vzorkovacou chybou meraného signálu, nestabilitou frekvencie počítacieho impulzu, prítomnosťou prahu citlivosti porovnávacieho obvodu a nelinearitou konvertovaného napätia na vstupe porovnávacieho obvodu. obvod.
Pri konštrukcii voltmetrov s časovým impulzom existuje niekoľko možností riešenia návrhu obvodov. Uvažujme o princípe fungovania pulzného voltmetra s lineárne sa meniacim generátorom napätia (GLIN).
Obrázok 3.13 zobrazuje blokovú schému digitálneho voltmetra s časovým impulzom s GLIN a časovými diagramami vysvetľujúcimi jeho činnosť.
Diskrétny signál meracej informácie na výstupe prevodníka má podobu paketu čítacích impulzov, ktorých počet je úmerný hodnote vstupného napätia. . Z výstupu GLIN sa na vstupy 1 porovnávacích zariadení privádza napätie lineárne rastúce v čase. Vstup 2 porovnávacieho zariadenia II je pripojený ku krytu.
V momente rovnosti sa na vstupe porovnávacieho zariadenia II a na jeho výstupe objaví impulz, ktorý je privedený na jediný vstup spúšťača (T), čo spôsobí výskyt signálu na jeho výstupe. Spúšť sa vráti do pôvodnej polohy impulzom prichádzajúcim z výstupu porovnávacieho zariadenia II. Tento signál sa objaví v momente rovnosti lineárne rastúceho napätia a meraného. Takto generovaný signál s trvaním (kde — prevodný koeficient) sa privádza na vstup 1 obvodu logického násobenia AND a vstup 2 prijíma signál z generátora počítacích impulzov (CPG). Impulzy nasledujú s frekvenciou. Impulzný signál sa objaví, keď sú impulzy na oboch vstupoch, t.j. Počítacie impulzy prejdú, keď je na výstupe spúšťača signál.
 |
Ryža. 3.13. Štrukturálna schéma (A) a časové grafy (b) digitálny časovo pulzný voltmeter s GLIN
Počítadlo impulzov počíta počet prejdených impulzov (s prihliadnutím na konverzný faktor). Výsledok merania sa zobrazí na doske digitálneho indikátora (DI). Daný vzorec nezohľadňuje chybu diskrétnosti spôsobenú nezrovnalosťou medzi výskytom počítajúcich impulzov a začiatkom a koncom intervalu
Navyše veľkú chybu prináša faktor nelinearity prevodného koeficientu . V dôsledku toho sú digitálne voltmetre s časovým impulzom s GLIN najmenej presné spomedzi digitálnych voltmetrov.
Digitálne voltmetre s dvojitou integráciou sa líšia od voltmetrov s časovým impulzom v princípe činnosti. V nich sa počas cyklu merania vytvoria dva časové intervaly - a . V prvom intervale je zabezpečená integrácia meraného napätia , v druhom - referenčné napätie. Čas cyklu merania je prednastavený ako násobok periódy šumu pôsobiaceho na vstupe, čo vedie k zlepšeniu odolnosti voltmetra voči šumu.
Obrázok 3.14 zobrazuje blokovú schému digitálneho voltmetra s dvojitou integráciou a časovými schémami vysvetľujúcimi jeho činnosť.
Ryža. 3.14. Štrukturálna schéma (A) a časové diagramy (6) digitálny voltmeter s dvojitou integráciou
O (v momente začiatku merania) generuje riadiace zariadenie kalibrovaný impulz s trvaním
, (3.21) presunie prepínač do polohy 2 a do integrátora sa privedie zdroj referenčného napätia (VS); referenčné záporné napätie sa stane rovným nule, porovnávacie zariadenie vygeneruje signál odoslaný do spúšte a vráti ju do pôvodnej polohy. štát. Na výstupe spúšte je generovaný napäťový impulz
; ; 
(3.25)
Zo získaných vzťahov vyplýva, že chyba vo výsledku merania závisí len od úrovne referenčného napätia, a nie od viacerých parametrov (ako pri pulznom kódovom voltmetri), ale aj tu je chyba diskrétnosti.
Výhody voltmetra s dvojitou integráciou sú vysoká odolnosť voči šumu a vyššia trieda presnosti (0,005-0,02%) v porovnaní s voltmetrami s GLIN.
Digitálne voltmetre so vstavaným mikroprocesorové sú kombinované a patria k voltmetrom najvyššej triedy presnosti. Princíp ich činnosti je založený na metódach vyvažovania bit po bite a integračnej transformácie s časovým impulzom.
Mikroprocesor a prídavné prevodníky zahrnuté v obvode takéhoto voltmetra rozširujú možnosti zariadenia, vďaka čomu je univerzálne pri meraní veľkého množstva parametrov. Takéto voltmetre merajú jednosmerné a striedavé napätie, silu prúdu, odpor odporu, frekvenciu kmitov a ďalšie parametre. Pri použití spolu s osciloskopom môžu merať časové parametre: periódu, trvanie impulzu atď. Prítomnosť mikroprocesora v obvode voltmetra umožňuje automatickú korekciu chýb merania, diagnostiku porúch a automatickú kalibráciu.
Na obrázku 3.15 je bloková schéma digitálneho voltmetra so zabudovaným mikroprocesorom.
 |
Ryža. 3.15. Bloková schéma digitálneho voltmetra so zabudovaným mikroprocesorom
Jednotka na normalizáciu signálu pomocou vhodných prevodníkov prevedie vstupné namerané parametre (97 strán) na jednotný signál prichádzajúci na vstup ADC, ktorý vykoná prevod metódou dvojitej integrácie. Výber prevádzkového režimu voltmetra pre daný typ merania vykonáva riadiaca jednotka ADC s displejom. Rovnaký blok poskytuje požadovanú konfiguráciu meracieho systému.
Mikroprocesor je základom riadiacej jednotky a je prepojený s ostatnými jednotkami prostredníctvom posuvných registrov. Mikroprocesor sa ovláda pomocou klávesnice umiestnenej na ovládacom paneli. Riadenie je možné vykonávať aj cez štandardné rozhranie pripojeného komunikačného kanála. Pamäť iba na čítanie (ROM) ukladá operačný program mikroprocesora, ktorý je realizovaný pomocou pamäte RAM (random access memory).
Zabudované vysoko stabilné a presné odporové deliče referenčného napätia, diferenciálny zosilňovač (DA) a množstvo externých prvkov (útlmovač, volič režimu, jednotka referenčného napätia ) vykonávať priame merania. Všetky bloky sú synchronizované signálmi z generátora hodín.
Zaradenie mikroprocesora a množstva prídavných meničov do obvodu voltmetra umožňuje automatickú korekciu chýb, automatickú kalibráciu a diagnostiku porúch.
Hlavnými parametrami digitálnych voltmetrov sú presnosť prevodu, čas prevodu, limity pre zmenu vstupnej hodnoty a citlivosť.
Presnosť konverzie je určená chybou kvantovania úrovne, charakterizovanou počtom bitov vo výstupnom kóde.
Chyba digitálneho voltmetra má dve zložky. Prvá zložka (multiplikatív) závisí od nameranej hodnoty, druhá zložka (aditívum) nezávisí od nameranej hodnoty.
Toto znázornenie je spojené s diskrétnym princípom merania analógovej veličiny, pretože počas procesu kvantovania vzniká absolútna chyba v dôsledku konečného počtu úrovní kvantovania. Absolútna chyba merania napätia je vyjadrená ako
znaky) alebo (znaky), (3.27)
kde je skutočná relatívna chyba merania;
— hodnotu nameraného napätia;
— konečná hodnota pri zvolenom limite merania;
T znaky - hodnota určená jednotkou najmenšej významnej číslice CI (aditívna chyba diskrétnosti). Hlavná skutočná relatívna chyba merania môže byť prezentovaná v inej forme:
(3.2)
Kde a, b - konštantné čísla charakterizujúce triedu presnosti zariadenia.
Prvý termín chyby (A) nezávisí od údajov prístroja a druhý (b) zvyšuje pri znižovaní .
Čas konverzie je čas potrebný na dokončenie jednej konverzie analógovej hodnoty na digitálny kód.
Hranice zmeny vstupnej hodnoty — Ide o rozsahy transformácie vstupnej hodnoty, ktoré sú úplne určené počtom číslic a „váhou“ najmenšej číslice.
Citlivosť(rozlíšenie) je najmenšia zmena hodnoty vstupnej veličiny rozoznateľná prevodníkom.
Hlavné metrologické charakteristiky voltmetrov, ktoré potrebujete vedieť, aby ste správne vybrali zariadenie, zahŕňajú nasledujúce charakteristiky:
Parameter meraného napätia (rms, amplitúda);
Rozsah merania napätia;
Frekvenčný rozsah;
Prípustná chyba merania;
Vstupná impedancia() .
Tieto charakteristiky sú uvedené v technickom popise a pase zariadenia.
V modernom každodennom živote, stavebníctve a iných oblastiach ľudského života zohráva obrovskú úlohu energia, ktorá je potrebná na uvedenie do pohybu rôznych mechanizmov, výrobných strojov a nástrojov. Elektrické napätie, alebo ľudovo nazývaný prúd, zaujíma prvé miesto medzi zásobovacími zdrojmi, takže človek je vo veľkej miere závislý na nepretržitej dodávke elektriny správnej hodnoty. Tento článok pojednáva o definícii elektrického napätia, jeho vzorci, ako aj o tom, od čoho tento indikátor závisí a čo ovplyvňuje.
Čo je napätie
Elektrické napätie je práca potrebná na dodanie náboja elektrickým poľom od dodávateľa do spotrebovaného zariadenia, buď cez drôty alebo bez nich. Jednoducho povedané, je to množstvo sily vynaloženej na dodanie daného náboja prúdu pozdĺž vodiča z jedného konca na druhý. Bez napätia nedôjde k pohybu nabitých častíc, a preto prúd nebude prúdiť k spotrebiteľovi, nominálna hodnota v obvode bude nulová.
Všetky prvky a predmety, ktoré obklopujú človeka, sú nabité elektrickým prúdom, rozdiel je len vo veľkosti napätia - pre niektoré veci je tento indikátor minimálny a prakticky nepostrehnuteľný, u iných je prítomnosť prúdu výraznejšia. Počas mnohých rokov výskumu vedci vynašli mnoho zariadení, ktoré sú schopné generovať elektrický prúd rôzneho napätia a sily, od malých až po veľké elektrárne, ktoré poháňajú celé mestá. Elektrické napätie priamo súvisí s prúdom: čím vyššie je napätie, tým vyšší bude prúd.
Pre presnejšie pochopenie definície aktuálneho napätia je potrebné porozumieť fyzike vzniku elektriny vo všeobecnosti. Odkiaľ pochádza elektrický prúd?
Všetky predmety a látky pozostávajú z atómov s kladným nábojom, ktorých počet sa rovná počtu záporne nabitých častíc rotujúcich okolo nich. Jednoducho povedané, počet elektrónov sa rovná počtu neutrónov. Aby v sieti vzniklo napätie, niektoré elektróny sa vytiahnu z jadra, dôjde k výboju a zvyšné častice sa snažia vyplniť medzeru priťahovaním elektrónov zvonku, vzniká kladný náboj. Ak k atómu pridáte elektróny, vznikne prebytok a vytvorí sa negatívne energetické pole.
V dôsledku tejto interakcie vznikajú pozitívne a negatívne potenciály a čím väčší kontakt tieto prvky majú, tým vyššia je sila a napätie elektrického prúdu. Keď sú tieto potenciály spojené, vytvára sa energetické pole, ktoré sa zvyšuje s počtom nabitých atómov v ňom.
Vzorec na výpočet napätia je nasledujúci:
- U je samotné napätie,
- A je práca potrebná na presun náboja,
- Q je segment vzdialenosti, cez ktorý sa pohybuje nabitý atóm.
Môžeme teda dospieť k záveru, že sila prúdu v celom obvode bude rovnaká a napätie v každej sekcii sa bude líšiť v závislosti od zaťaženia danej sekcie. Ako viete, energia sa neobjavuje z ničoho nič a nezmizne v neznámom smere, takže keď sa napätie na určitej časti drôtu zvýši, nadmerný prúd sa prejaví v tepelnom zaťažení; inými slovami, materiál z ktorého je vyrobený vodič sa začne zahrievať.
Od čoho závisí napätie?
Existujú tri hlavné faktory, ktoré ovplyvňujú normu napätia pre elektrické prúdy, vrátane:
- Materiál, z ktorého je vodič vyrobený. Na vyriešenie určitých problémov existujú rôzne typy drôtov, najčastejšie nájdete medené alebo hliníkové výrobky rôznych profilov a vonkajších plášťov. Vonkajšie vinutie takýchto drôtov môže byť tiež vyrobené z rôznych ochranných a dekoratívnych materiálov, napríklad z PVC fólie alebo gumovej ochrany. Táto úprava umožňuje použitie elektroinštalácie za akýchkoľvek podmienok vrátane organizácie vonkajšieho osvetlenia;
- Teploty použitia vodiča;
- Úroveň odporu elektrického prúdu v danej oblasti. Táto hodnota závisí od vlastností vodivosti kábla alebo iného objektu pripojeného k sieti a od schopnosti atómov prechádzať cez seba bez prekážok. Existujú materiály s nulovým odporom alebo úplne dielektrické, to znamená, že nie sú schopné viesť elektrický prúd akéhokoľvek napätia.
Prúd a jeho napätie priamo závisia od seba, preto sú ich označenia rovnaké. Prúdové napätie sa meria vo voltoch a označuje sa písmenom V. Volt je vyjadrené ako rozdiel medzi kladným a záporným potenciálom v dvoch od seba vzdialených bodoch poľa, ktorých sily vyvolávajú silu rovnajúcu sa jednému J pri dodaní a nabitie z jedného segmentu na konečný. Nominálna hodnota jednotky náboja sa rovná jednému C, takže označenie 220 voltov zahŕňa koncepciu, že daná sieť je schopná vynaložiť 220 J energie na prepravu nábojov zo vstupného bodu k spotrebiteľovi, nazýva sa to elektrická napätie v sieti.
Druhy napätia elektrického prúdu
Čo je elektrické napätie je popísané v učebniciach fyziky a je tam uvedené aj jeho klasifikácia na základe časového intervalu dodávky energie. Podľa tohto príznaku dochádza k napätiu:
- Konštantná je, keď sú prúd a elektrické napätie kladné na jednom konci vodiča a záporné na druhom konci a ich hodnota smeruje jedným smerom. Najčastejšie sa takýto systém nachádza v autonómnych batériách s nízkym a stredným výkonom;
Dôležité! Náhodná alebo úmyselná výmena polarít môže viesť k poruche zariadenia, ako aj skratu pri pripájaní viacerých prvkov, to sa musí robiť postupne, pričom sa záporný kontakt pripája k kladnému. Sínusová vlna pri konštantnom prúde bude hladká bez trhania alebo vĺn.
- Striedavý prúd a elektrické napätie sa líšia od konštantných v tom, že môžu mať niekoľko smerov, napríklad pri častom nahrádzaní polaritných potenciálov alebo ich pohybe dochádza k spätnému pohybu náboja, frekvencia tohto pôsobenia bude indikátorom striedavého prúdu. Najčastejšie sa tento systém používa na prenos elektriny cez vodič na veľké vzdialenosti, pretože straty prúdu sú minimálne, a preto napätie neklesá. Striedavý prúd sa používa aj v trojfázových motoroch a pri dodávaní jednosmerného prúdu do transformátora na následné oddelenie. Sínusová vlna AC vyzerá nerovnomerne, zvlnená, s viacerými skokmi. Existuje vzorec a mechanizmy, ktoré sa používajú na premenu striedavého prúdu na jednosmerný prúd, je to možné s prítomnosťou kondenzátorov a diódového mostíka.
Medzi fázami striedavého prúdu sú aj indikátory, v tomto prípade je napätie 380V, podľa veľkosti rozdielu potenciálov v trojfázovej sieti. V sieti 220V sú len dva vodiče: jeden s nosnou fázou, druhý s nulou a pre bezpečnosť je pridaný aj uzemňovací kábel. Trojfázová sieť má štyri vodiče a jeden dodatočný uzemňovací vodič, celkové napätie všetkých troch fáz je 380V.
Preventívne opatrenia
Prúd a elektrické napätie sú zdrojom zvýšeného nebezpečenstva, preto pri práci a využívaní tohto druhu energie je potrebné dodržiavať bezpečnostné normy a predpisy, vyhýbať sa havarijným situáciám a všetky zariadenia vybaviť systémom automatického vypnutia napájania.
Nepracujte s vedením pod napätím alebo bez uzemňovacieho zariadenia. V prípade skratu je potrebné odpojiť všetky zariadenia od siete a zabrániť požiaru vo vinutí motora alebo kábli.
Video
Ako sa napätie líši od prúdu, odporu a výkonu sa dá použiť pomocou tejto analógie. Predstavte si potrubie, na ktoré pôsobí určitý tlak plynu alebo kvapaliny. Tento tlak je napätie. Množstvo látky prechádzajúcej potrubím za jednotku času bude závisieť od tlaku. Tu je analóg odporu a množstvo látky prechádzajúcej potrubím za jednotku času je analógom sily prúdu. Zároveň sa v dôsledku trenia na potrubí uvoľní určitý výkon vo forme tepla. Toto je analógia tepelnej energie uvoľnenej na vodiči s prúdom.
Napätie sa meria vo voltoch. Tento je pomenovaný po talianskom vedcovi Alessandrovi Voltovi, vynálezcovi jedného typu elektrochemických zdrojov prúdu. Tisíc voltov sa nazýva kilovolt, milión voltov sa nazýva kilovolt. Tisítina voltu sa nazýva milivolt, milióntina sa nazýva mikrovolt.
Napätie môže byť konštantné alebo premenlivé. V druhom prípade periodicky mení polaritu s určitou frekvenciou. Striedavé napätie má dve hodnoty: amplitúdu a efektívnu. Prvý charakterizuje amplitúdu kmitov a druhý charakterizuje ekvivalentné konštantné napätie, ktoré by produkovalo rovnaký výkon pri rovnakej záťaži. Vzťah medzi hodnotami amplitúdy a efektívneho napätia závisí od jeho tvaru. Pre sínusové jednofázové napätie hodnota amplitúdy presahuje efektívnu hodnotu o počet rovnajúci sa odmocnine z dvoch.
Pojem „nebezpečné napätie“ nie je úplne správny. Nebezpečenstvo vystavenia osobe elektrinou nezávisí od napätia, ale od sily prúdu. Ďalšia vec je, že koža má určitý odpor, a preto v nej pri určitej hodnote napätia môže vzniknúť nebezpečný prúd. Pokožka rôznych ľudí má rôznu odolnosť a závisí to aj od psychického a fyzického stavu. Preto sa prah nebezpečného napätia môže meniť aj v rámci tej istej osoby. Pri určitom napätí koža prerazí a na zdroj sa kladie podstatne menší odpor z podkožných vrstiev, čo je ešte nebezpečnejšie.
Okrem elektrického namáhania existuje aj mechanické namáhanie. Vyskytuje sa v konštrukciách, na ktoré sa uplatňujú vonkajšie mechanické vplyvy. Okrem toho v niektorých konštrukciách môžu vzniknúť vnútorné napätia už vo fáze výroby. Ak vytvoríte predmet z priehľadného materiálu a umiestnite ho medzi dva polarizátory, môžete v nich určiť prítomnosť takýchto napätí. A v prenesenom zmysle je napätie napätý stav ľudskej psychiky.
