Microsoft Word GA KT DO LUONG LQHuy C8 Do dong dien doc KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 2 ĐO DÒNG ĐIỆN – ĐIỆN ÁP 2 1 ĐO DÒNG ĐIỆN 2 1 1 Đo dòng điện một chiều a) Các đặc tính cơ bản các ampemét một chiều.
Trang 1ĐO DÒNG ĐIỆN – ĐIỆN ÁP 2.1 ĐO
2.1.1 Đo dòng điện một chiều:
a) Các đặc tính cơ bản: các ampemét một chiều được chế tạo chủ yếu dựa trên
cơ cấu chỉ thị từ điện với các đặc tính cơ bản sau:
- Dòng cho phép: thường là 10-1 ÷ 10-2A
- Cấp chính xác: 1,5; 1; 0,5; 0,2; cao nhất có thể đạt tới cấp 0,05
- Điện trở cơ cấu: khoảng từ 20Ω ÷ 2000Ω
Vì vậy muốn sử dụng cơ cấu này để chế tạo các dụng cụ đo dòng điện lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị, phải dùng thêm một điện trở sun phân nhánh nối song song với cơ cấu chỉ thị từ điện (hình 2.1):
Hình 2.1 Mắc điện trở sun phân nhánh nối song song với cơ cấu chỉ thị từ điện
Sơ đồ cấu tạo của ampemét từ điện trên hình 2.1
b) Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện chỉ có một thang đo: dựa trên các
thông số của cơ cấu chỉ thị từ điện và dòng điện cần đo, có thể tính giá trị điện trở sun phù hợp cho từng dòng điện cần đo là:
Rs = rct / (n-1)
với: rct : điện trở trong của cơ cấu chỉ thị từ điện
n = I / Ict : hệ số mở rộng thang đo của Ampemet
I : dòng điện cần đo
Ict : dòng cực đại mà cơ cấu chỉ thị chịu được
Đối với các ampemét đo dòng điện nhỏ hơn 30A thì sun đặt trong vỏ của ampemét Còn các ampemét dùng đo dòng điện lớn hơn hoặc bằng 30A thì sun đặt ngoài vỏ (coi như một phụ kiện kèm theo ampemét; phần này sẽ nghiên cứu trong mục đo dòng điện lớn)
c) Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện có nhiều thang đo: trên cơ sở mắc
sun song song với cơ cấu chỉ thị có thể chế tạo ampemét từ điện có nhiều thang đo Hình 8.2 là sơ đồ ampemét từ điện 4 thang đo (I1, I2, I3, I4) Các điện trở sun RS1,
RS2, RS3, RS4 mắc nối tiếp với nhau rồi nối song song với rct Tính các điện trở sun RS1,
RS2, RS3, RS4 bằng cách lập hệ phương trình ứng với các dòng khác nhau:
Trang 24 4
3 3
2
2
1 1 1
1
; 1
; 1
; 1
; 1
ct
s s s s s
ct
ct s
s s s s
ct
ct s s
s s s
ct
ct s s s
s s
ct
+
Ta có 4 phương trình với 4 ẩn số, giải ra tìm được RS1, RS2, RS3, RS4
Hình 2.2 Mắc điện trở sun trong ampemét có nhiều thang đo.
Để giữ cho cấp chính xác của ampemét từ điện không thay đổi ở các giới hạn đo khác nhau, phải chế tạo sun với độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu từ điện
ít nhất là một cấp
Ví dụ: cơ cấu từ điện có cấp chính xác 0,5 thì sun phải có cấp chính xác 0,2 Thường chế tạo sun bằng mangannin và chỉnh định rất chính xác.
2.1.2 Đo dòng xoay chiều:
Tùy theo phạm vi và mục đích sử dụng mà có các loại ampemét xoay chiều cơ bản sau:
- Để đo dòng điện xoay chiều miền tần số công nghiệp: thường dùng các ampemét điện từ, điện động và sắt điện động
- Đo dòng điện ở miền tần số âm tần và có thể dùng ở nhiều thang đo khác nhau: thường sử dụng ampemét vòng từ điện chỉnh lưu
- Đo dòng xoay chiều có tần số cao và siêu cao: thường dùng ampemét nhiệt điện
a) Ampemét điện từ : được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ Mỗi cơ cấu
điện từ được chế tạo với số ampe.vòng nhất định (I.W):
- Cơ cấu cuộn dây tròn: thường có I.W = 200A vòng
- Cơ cấu cuộn dây dẹt: thường có I.W = 100 ÷ 150A vòng
- Cơ cấu có mạch từ khép kín: I.W = 50 ÷ 1000A vòng
Như vậy để mở rộng thang đo của ampemét điện từ chỉ cần thay đổi thế nào để đảm bảo I.W = const
- Mở rộng thang đo của ampemét điện từ bằng phương pháp phân đoạn cuộn
dây tĩnh của cơ cấu điện từ: ampemét điện từ nhiều thang đo được chế tạo bằng cách
chia cuộn dây tĩnh thành nhiều phân đoạn bằng nhau, thay đổi cách nối ghép các phân đoạn (song song hoặc nối tiếp) để tạo các thang đo khác nhau
Trang 3Hình2.3 Mở rộng thang đo của ampemét điện từ:
a) Đo được dòng điện I b) Đo được dòng điện 2I
Tuy nhiên phương pháp này cũng chỉ áp dụng để chế tạo ampemét điện từ có nhiều nhất là ba thang đo, vì khi tăng số lượng thang đo việc bố trí mạch chuyển thang đo phức tạp không thể thực hiện được
- Mở rộng thang đo của ampemét điện từ bằng cách dùng biến dòng: khi muốn
tăng số lượng thang đo lên nhiều thường kết hợp biến dòng với ampemét điện từ để
mở rộng giới hạn đo dòng xoay chiều
b) Ampemét điện động: thường dùng để đo dòng điện ở miền tần số cao hơn tần
số công nghiệp (cỡ 400÷2000Hz) Do cơ cấu điện động là cơ cấu chính xác cao đối với tín hiệu xoay chiều vì vậy ampemét điện động cũng có chính xác cao (0,2 ÷ 0,5) nên thường được sử dụng làm dụng cụ mẫu
Có hai loại sơ đồ mạch của ampemét điện động :
- Khi dòng điện cần đo nhỏ hơn hoặc bằng 0,5A: thì trong mạch của ampemét
cuộn dây động và cuộn dây tĩnh ghép nối tiếp với nhau (H.2.4a)
- Khi dòng điện cần đo lớn hơn 0,5A: thì trong sơ đồ mạch của ampemét cuộn
dây động và cuộn dây tĩnh ghép song song với nhau (H.2.4b)
Các phần tử R và L trong sơ đồ này dùng để tạo mạch bù sai số do tần số và làm cho dòng điện trong cuộn dây động và trong cuộn dây tĩnh cùng pha với nhau
Hình 2.4 Cách sắp xếp mạch ampemét điện động:
a) Mắc nối tiếp; b) Mắc song song A: cuộn dây tĩnh; B: cuộn dây động
Trang 4Cách mở rộng thang đo và chế tạo ampemét điện động nhiều thang giống như ở ampemét điện từ
Sai số do tần số của các ampemét điện từ và điện động ở tần số vài kHz đến vài chục kHz khá lớn Vì vậy để đo dòng điện âm tần người ta thường dùng các ampemét
từ điện chỉnh lưu
c) Ampemét chỉnh lưu: là ampemét kết hợp cơ cấu chỉ thị từ điện và mạch chỉnh
lưu bằng điốt hoặc chỉnh lưu bằng cặp nhiệt ngẫu (gọi là ampemét nhiệt điện)
Các mạch chỉnh lưu thường gặp trong các ampemét chỉnh lưu bao gồm: chỉnh lưu nửa chu kì: hình 2.5a; chỉnh lưu hai nửa chu kì: hình 2.5b,c,d Trong các mạch chỉnh lưu này dùng điốt dòng (Si hoặc Ge)
- Mạch theo hình 2.5b: dòng điện được chỉnh lưu hoàn toàn và qua cơ cấu chỉ
thị, vì vậy hệ số chỉnh lưu cao
- Mạch theo hình 2.5c: một phần dòng điện được chỉnh lưu và qua cơ cấu chỉ
thị, phần còn lại ở điện trở R, hệ số chỉnh lưu của mạch không cao
- Mạch theo hình 2.5d: một phần dòng điện được chỉnh lưu và qua cơ cấu chỉ
thị, phần còn lại qua điện trở R, hệ số chỉnh lưu của mạch không cao
- Nói chung các ampemét chỉnh lưu chính xác không cao vì hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ, trong đó khi nhiệt độ thay đổi, điện trở thuận và ngược của điốt thay đổi không như nhau (cụ thể khi nhiệt độ tăng, điện trở ngược của điốt giảm nhiều hơn
so với điện trở thuận) Dẫn đến hệ số chỉnh lưu của điốt sẽ giảm
Hình 2.5 Các dạng ampemét chỉnh lưu
- Cách biến đổi để khắc độ Ampemét chỉnh lưu theo trị hiệu dụng: với cách bố
trí các sơ đồ chỉnh lưu, các ampemét chỉnh lưu sẽ chỉ giá trị trung bình của dòng xoay chiều, nhưng thông thường các dụng cụ điện từ, điện động đo dòng xoay chiều được khắc độ theo giá trị hiệu dụng vì vậy để thống nhất về khắc độ các dụng cụ đo xoay chiều thì các ampemét chỉnh lưu cũng phải khắc độ theo trị hiệu dụng
Cách biến đổi để khắc độ Ampemét chỉnh lưu theo trị hiệu dụng như sau:
Phương trình đặc trưng của cơ cấu từ điện:
tb
B S W B S W I B S W I
I
I
Gọi I/Itb = k, thì:
Trang 5.
B S W I
D k
α =
Như vậy khi khắc độ để lấy giá trị hiệu dụng thì thang đo phải chia cho hệ số kd Nếu dòng điện có dạng sin thì kd = 1,11
- Một số sơ đồ Ampemét từ điện chỉnh lưu (H.2.6a,b)
Hình 2.6 Bù tần số ở ampemét chỉnh lưu:
a) Bù bằng cuộn cảm trong ampemét chỉnh lưu đo dòng nhỏ b) Bù bằng điện dung
trong ampemét chỉnh lưu đo dòng lớn.
• Đo dòng nhỏ (bằng hoặc nhỏ hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị một ít): mắc mạch
chỉnh lưu nối tiếp với cơ cấu chỉ thị và mắc trực tiếp vào mạch đo, không cần sun
• Đo dòng lớn hơn dòng qua cơ cấu chỉ thị: mắc cơ cấu song song với sun
(H.2.6) Ở đây sun làm nhiệm vụ mở rộng giới hạn đo dòng, đồng thời vừa để bù sai
số do nhiệt độ và tần số
Trong sơ đồ hình 2.6a: RCU để bù nhiệt độ, còn L để bù tần số Trong sơ đồ hình 2.6b: dùng C để bù sai số do tần số
Ngày nay thường chế tạo các dụng cụ chỉnh lưu tổng hợp: vừa đo dòng, áp một chiều, xoay chiều và điện trở nhờ bộ đổi nối Các dụng cụ này có nhiều thang đo về dòng, áp, điện trở nhờ có sử dụng các sun; điện trở phụ nhiều giá trị khác nhau
Ví dụ thang đo về dòng điện từ 3mA đến 6A; về điện áp từ 75mV đến 600V (thang 75mV chỉ đo áp một chiều); về điện trở từ 500Ω đến 5MΩ
Thang đo của dụng cụ chỉnh lưu với điện xoay chiều và điện một chiều khác nhau Do đặc tính V.A của ở dòng điện xoay chiều nhỏ là phi tuyến nên phần đầu thang đo (10 ÷ 15%) không đều
- Ưu điểm cơ bản của dụng cụ chỉnh lưu bằng điốt: là độ nhạy cao, tiêu thụ
công suất nhỏ, có thể làm việc ở tần số cao (không có mạch bù tần số có thể dùng ở tần
số 500 đến 2000Hz); có mạch bù tần số có thể dùng đến 50kHz vẫn đảm bảo chính xác
- Nhược điểm: là chính xác không cao (khoảng cấp 1,5 ÷ 2,5), các ampemét
chỉnh lưu thường khắc độ theo tín hiệu sin Nếu dùng các ampemét này đo dòng điện không sin thì sẽ xuất hiện sai số hình dáng
d) Ampemét nhiệt điện: cũng là ampemét chỉnh lưu vì nhờ cặp nhiệt ngẫu đã
biến dòng điện xoay chiều thành một chiều cấu tạo như hình 2.7:
Trang 6Hình 2.7 Ampemét nhiệt điện.
- Nguyên lý làm việc của Ampemét nhiệt điện: khi có dòng điện xoay chiều IX
chạy qua sợi dây dẫn làm dây này bị đốt nóng Nhiệt độ của dây dẫn là: T0 = k0I2 với
k0 là hằng số, phụ thuộc nhiệt dung dây dẫn
Nhiệt độ này làm nóng đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu, ở đầu tự do của nó sẽ xuất hiện sức điện động nhiệt:
Et = k1.T0 = k1.k0.I2
x = k2.I2
x (k1 cũng là hằng số phụ thuộc vật liệu và một số tính năng của cặp nhiệt ngẫu)
Hai đầu tự do của cặp nhiệt ngẫu được nối với cơ cấu chỉ thị từ điện nên suất điện động Et được đặt lên cơ cấu này sinh ra dòng điện qua cơ cấu làm kim chỉ lệch một góc α :
0
ct n
E
B S W B S W
I
+
với:I0 : dòng điện qua cơ cấu chỉ thị
Rn : điện trở cặp nhiệt ngẫu
rct : điện trở của cơ cấu chỉ thị
Từ đó có quan hệ giữa góc quay (độ chỉ của chỉ thị) và dòng điện cần đo:
2
2
2
x
ct n
k I
B S W
K I
+
Để tăng sức điện động nhiệt Et nhằm dễ dàng nhận biết kết quả đo bằng chỉ thị
từ điện, người ta thường mắc nối tiếp các cặp nhiệt ngẫu với nhau hoặc thông qua một
bộ khuyếch đại một chiều
- Ưu điểm của ampemét nhiệt điện: là cho phép đo dòng điện ở tần số cao; dải
tần làm việc rộng (từ một chiều đến hàng trăm MHz)
- Nhược điểm của ampemét nhiệt điện: có sai số lớn, khả năng qua tải kém, công
suất tổn hao lớn
2.2 ĐO ĐIỆN ÁP
2.2.1: Đo điện áp 1 chiều
Vôn mét 1 chiều được chế tạo gồm cơ cấu chỉ thị từ điện nối tiếp với một điện trở phụ Rp như hình 1 Khác với ampemet, vôn mét dùng để đo điện áp rơi trên phụ tải hoặc điện áp giữa hai đầu của một mạch điện, do đó nó luôn mắc song song với phụ tải cần đo
Điện trở phụ ( Rp) được tính theo công thức:
Rp = RCT ( m -1) (2.1)
Với m =
CT
U
U (2.2)
Rp : điện trở phụ
RCT : điện trở của cơ cấu chỉ thị
U : điện áp cần đo
Trang 7UCT : điện áp rơi trên cơ cấu chỉ thị
V
R CT
I CT
R p
Hình 2-8:
Để mở rộng nhiều thang đo ta có thể mắc theo sơ đồ hình 2-9a, 2b
R CT
I CT
R 1
V 1
V 2
V 3
R 2
R 3 +
-Hình 2-9a
V 1 V2
V3 V4
ICT
RCT
Hình 2-9b
Cách tính các điện trở phụ theo hình 2-9a được tính theo công thức (2.1) và (2.2) Cách tính các điện trở phụ theo hình 2-9b được tính theo công thức sau:
v1>v2>v3>v4
-Điện trở toàn thang đo tại vị trí V4:
Rt = 4
CT
V
I và R4 = Rt - RCT
- Điện trở toàn thang đo tại vị trí V3 :
Rt = 3
CT
V
I và R3 = Rt – ( R4 + RCT )
- Điện trở toàn thang đo tại vị trí V2:
Rt = 2
CT
V
I và R2 = Rt – ( R4 + RCT + R3 )
- Điện trở toàn thang đo tại vị trí V1:
Rt = 1
CT
V
I và R1 = Rt – ( R4 + RCT + R3 + R2 )
Trang 8• Độ nhạy của vôn mét được tính theo biểu thức:
S = 1
t
I (
V
Ω
) Trong đó It : dòng lệch toàn thang đo
• Từ độ nhạy S ta có thể tính được điện trở phụ (Rp) của vôn mét
Rp = ( S.U ) - RCT
Trong đó U : điện áp cần đo
S : độ nhạy (
V
Ω
)
RCT : điện trở của cơ cấu chỉ thị
2.2.2 Vônmét xoay chiều:
thị từ điện
Chỉnh lưu có thể thực hiện dưới dạng nữa chu kỳ hoặc cả chu kỳ Khi dòng ở chiều thuận, diốt silic thường có độ sụt áp thuận là 0,7V và diốt Gecmani có độ sụt áp
cở 0,3V Khi dòng ở chiều ngược thì dòng rất nhỏ so với dòng thuận
Hình 2-10a: là sơ đồ của 1 vônmét chỉnh lưu nửa chu kỳ, hình 2-10b: là vônmét chỉnh lưu của cả chu kỳ mắc kiểu cầu với điện áp ra như hình vẽ
Đặc điểm của vônmét chỉnh lưu là độ chính xác không cao ( cấp chính xác từ 1-1,5) thang đo không đều do đặc tính phi tuyến do diốt, các vônmet chỉnh lưu được chế tạo đo điện áp hình sin với hệ số hình dáng khd = 1,1 do vậy khi đo với các tín hiệu khác sin sẽ gây nên sai số đo
Dải tần làm việc của dụng cụ 10÷20Khz
2.2.3 Vônmét điện tử:
a/ Vônmét tranzito:
+E
-UBE
U E
IE = ICT
RP
RCT
CT
UCC
-Hình 2-10
Hình 2-10: là sơ đồ vôn mét đơn giản có mạch gánh emitơ Đầu vào là một tranzito được cung cấp bằng nguồn một chiều Cực dương của nguồn được nối với colectơ của tranzito, đầu âm nối với chỉ thị và emitơ
Điện trở Rp và RCT là điện trở phụ và điện trở chỉ thị Điện áp E ( cần đo) mắc vào Bazơ (cực dương), đầu âm nối đất
Ví dụ điện áp đo E = 10V, ta có UBE = 0.7V như chiều mủi tên, nguồn cung cấp
Uct = 20V, Rp + RCT + 9.3kΩ và ICT = 1mA
Lúc đó điện thế đầu ra emitơ của tranzito thấp hơn thế ở bazơ là 0.7V Vậy UE =
E – UBE = 9.3V Dòng đi qua chỉ thị là dòng emitơ ( IE ) là :
Trang 9IE = ( )
E
p CT
U
Biết rằng IB E
EF
I h
≈ với hEF : là hệ số khuếch đại dòng emitơ chung
Và : hEF = 50 ÷200
Chọn :hEF =100, ta có :
IB = 10µF
Điện trở vào của mạch gánh emitơ, hoặc điện trở tải trên nguồn 10V được tính như sau :
Rv =
B
E
S
Ev
Q 1
V 1
R 1
R 2
R 3
R4
R 5
V 2
Q 2
+V CC
F E T
Hình 2-11
Vậy điện trở của vôn mét khi dùng mạch gáng enitơ được tăng lên đáng kể Trong thực tế để tránh độ sụt áp UBE của tranzito gây nên sai số ở vônmét và tăng điện trở đầu vào người ta sử dụng mạch như sơ đồ hình 2
Đầu vào là khuếch đại tranzito thường( FET ) để tăng điện trở vào Vônmét gánh emitơ: là khuếch đại vi sai mắc theo kiểu cân bằng, tải emitơ và colectơ chúng nối với cực dương của nguồn UCC
Hai tranzito Q1, Q2 giống nhau được các điện trở định thiên R1, R5, R4 tạo nên dòng điện thế bazơ của Q1, Q2 và V1, V2
Với R3, R2 : điện trở gánh emittơ
Khi điện áp vào Ev = 0, V1= V2, cầu ở trạng thái cân bằng, dòng điện đi qua chỉ thị ICT=0
Khi Ev >0 lúc đó điện thế bazơ của tranzito Q1(V1) tăng lên và V1>V2: U12= V1 -
V2>0 sẽ xuất hiện đi qua chỉ thị (ICT>0), dòng điện này tỷ lệ với điện áp đo
Ưu điểm cuả vonmet trên là điện trở vào lớn, ít trôi điểm ze6ro mà các khuếch đại một chiều thường gặp
2.2.4 Vonmet khuếch đại điều biến
Nhược điểm lớn nhất của vonmet điện tử một chiều là bị trôi điểm zêro do đặc tính của các linh kiện thay đổi khi nhiệt độ môi trường thay đổi, điều đó hạn chế việc
đo các linh kiện nhỏ Để khắc phục nhược điểm trên ta có thể dùng vonmet khuếch đại điều biến như hình 2-
Điện áp một chiều đưa vào bộ điều biến tạo thành điện áp xoay chiều sau đó đưa đến khuếch đại xoay chiều để tăng độ lớn Tín hiệu này qua bộ giải điều biến để biến đổi trở lại thành điện áp 1 chiều tỷ lệ với tín hiệu ban đầu
Trang 10Hình 2-12 Sơ đồ khối của vonmet khuếch đại điều biến
Tín hiệu vào cỡ vài μV, sau khi qua bộ điều biến thành xoay chiều và tần số
100÷300Hz
Bộ điều biến có thể thực hiện bằng cơ khí hoặc điện tử Hình 2- a là sơ đồ đơn
giản của bộ điều biến điện tử
d c
V
ñ i e än t r ô û q u a n g
U
t
ñ e øn c h i e áu
s a ùn g
Hình 2- 13a Nguyên lý cơ bản của bộ điều biến điện tử, b sóng điện áp ra
Ở đây nguồn sáng được thay đổi rất nhanh từ cực đại đến cực tiểu, chiếu vào
quang điện trở làm cho điện trở của nó thay đổi từ Rmax đến Rmin tạo nên dãy xung liên tiếp Hình 2-13b, là biểu đồ thời gian các xung đó
Hình 2-14 mô tả sơ đồ nguyên lý của vonmet điều biến ứng với nguyên lý nói
trên
Bộ tạo dao động (máy phát sóng) điều khiển 2 đèn neon xen kẽ nhau chiếu sáng vào các quang điện trở với tần số 100Hz Trong đó mỗi đèn neon chiếu sáng 2 quang điện trở, một ở đầu vào của khuếch đại xoay chiều, một ở đầu ra của nó Hai quang
điện trở tạo thành bộ điều biến và giải điều biến
Khi có ánh sáng chiếu vào 1 quang điện trở, điện trở của nó bị giảm xuống và
quang điện trở kia điện trở tăng lên (do không được chiếu sáng) chúng hoạt động
giống như bộ chuyển mạch đóng mở xen kẽ nhau đúng với tần số nhấp nháy trên đèn Tín hiệu 1 chiều qua bộ điều biến tạo thành các xung vuông có biên độ tỷ lệ với tín hiệu đưa vào và có tần số tương ứng với tần số dao động Các xung này được đưa qua khuếch đại xoay chiều sau đó qua bộ giải điều biến để trở thành 1 chiều Bộ lọc
thông thấp có nhiệm vụ loại bỏ các thành phần xoay chiều Ưu điểm của vonmet điều biến là điện trở vào lớn (100MΩ ), dãi đo rộng (3μ÷1KV) sai số ±2% toàn thang đo
Bộ điều
biến
Giải điều biến
Lọc thông thấp
Máy phát sóng
Khuếch đại xoay chiều
Tín hiệu
đầu vào
U
Ra khuếch đại 1 chiều
