Giáo trinh : KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ part 3 ppsx

Để đo dòng điện và điện áp xoay chiều mạch đo được mắc thêm khối chỉnh lưu.. Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng điện và điện áp xoay chiều của đồng hồ vạn năng Univecka được trình bày trên các

Tính RS = R1 + R2 + R3 + R4 = = Ω

−

=

1 2

300 1

1

n

R g

Trị số điện trở sun ở mỗi thang đo tính theo công thức (2-5)

Ω

=

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

−

20

9 600 20

1 2

1 1 2

2 300

1

R

Ω

=

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

−

200

9 600 200

1 20

1 1 2

2 300

2

R

Ω

=

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

−

2000

9 600 2000

1 200

1 1 2

2 300

3

R

R4 = RS – (R1+ R2+ R3) = 300 – 299,7 = 0,3Ω

2.2.2 Mạch đo điện áp một chiều

Cơ cấu đo từ điện chỉ có thể đo được điện áp nhỏ, để mở rộng thang đo người

ta phải mắc thêm điện trở phụ R p nối tiếp với cơ cấu đo (hình 2-5)

Từ hình vẽ ta có:

Ig

Rg

U = U P + U g = I g (R P + R g)

Trong đó R g và I g là điện trở của cơ cấu đo

và dòng lệch cực đại của thang đo điện kế

Hình 2-5

Như vậy, giá trị của điện trở phụ sẽ là:

g g

I

U

R = − (2-6)

Tương tự như thang đo dòng điện một chiều, để đo các trị số điện áp khác nhau, thang đo điện áp cũng được thiết kế các mạch điện trở phụ kiểu riêng biệt và điện trở phụ kiểu vạn năng (hình 2-6)

Hình 2-6, a là sơ đồ mạch đo điện áp một chiều với 4 thang đo mắc kiểu điện trở phụ riêng rẽ Mạch này có ưu điểm là dễ dàng kiểm tra và sửa chữa, nhưng cũng có nhược điểm giống như mạch sun riêng rẽ là dễ bị hở mạch đo khi chuyển mạch tiếp xúc xấu

R1 R2 R3

R4

SW

SW

Rg

1 2 3

4

4

3 2 1

+ Rg _

_

+

Hình 2-6

a) Mạch vôn kế dùng điện trở phụ kiểu riêng rẽ

Hình 2-6, b là sơ đồ mắc điện trở phụ vạn năng Đây là kiểu được dùng rộng rãi trong các đồng hồ vạn năng Các điện trở thành phần trên hình 2-6, b dễ dàng tính theo các công thức sau:

g

g g

I

R I U

R1 = 1−

g

I

U U

g

I

U U

3 = −

Tương tự, ta rút ra công thức tổng quát để tính điện trở phụ mở rộng thang đo khi đã biết thang đo trước:

g

n n

U U

Trong đó n là số thứ tự thang đo

–Ví dụ: Một đồng hồ đo điện vạn năng có điện trở cơ cấu đo là 300 Ω, dòng lệch

toàn thang là 0,3mA Hãy tính các điện trở phụ vạn năng mở rộng thang đo của vôn kế để có thể đo được các điện áp 6V, 30V và 150V

Áp dụng các công thức (2-7) cho các thang đo ta có:

R 1 = −( × )=19700Ω=19,7kΩ

0003 , 0

300 0003 , 0 6

Ω

= Ω

=

−

0003 , 0

6

30 2

Ω

= Ω

=

−

0003 , 0

30

150 3

Trên các hình 2-7 và hình 2-8 là hai mạch điện trở phụ thực tế của hai đồng hồ vạn năng U202 và U1

R2 R3

+

R1

-R4

R8

R7

R6

R5

15 75 300 750

+

-R15

R4 R3

R6

10V 50V 230V 500V

R8

R5

Hình 2-7 Mạch vôn kế dùng điện trở phụ riêng biệt trong đồng hồ vạn năng U 202

Hình 2-8 Mạch vôn kế dùng điện trở phụ vạn năng trong đồng hồ vạn năng U1

2.3 Đo dòng điện và điện áp xoay chiều

Cơ cấu đo từ điện chỉ có thể đo dòng một chiều Để đo dòng điện và điện áp xoay chiều mạch đo được mắc thêm khối chỉnh lưu Các mạch chỉnh lưu trong đồng hồ vạn năng thường dùng là chỉnh lưu 2 bán kỳ, chỉnh lưu cầu đối xứng hoặc không đối xứng trên các diode Ge Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng điện và điện áp xoay chiều của đồng hồ vạn năng Univecka được trình bày trên các hình 2-9 và hìnhø 2-10

10K

mA

_ +

Hình 2-9 Mach đo dòng điện xoay chiều của đồng hồ

10M 6M 2M 1M 500K 200K 100K 50K 20K 10K

0,01uF

Hình 2-10 Mach đo điện áp xoay chiều của đồng hồ

2.4 Mạch đo điện trở

Trị số của điện trở thường phân ra các khoảng: trị số nhỏ (dưới 1Ω); trung bình (1 ÷105Ω) và lớn (trên MΩ)

Các điện trở nhỏ thường đo bằng cầu đo, loại lớn dùng Mêgôm kếá để đo Loại trung bình được đo chủ yếu bằng ôm kế Trong đồng hồ vạn năng thang đo ôm được khắc độ trực tiếp ra ôm

Tùy theo cách mắc điện trở cần đo RX nối tiếp hay song song với cơ cấu đo, người ta phân ra hai loại: ôm kế song song và ôm kế mắc nối tiếp

2.4.1 Ôm kế có điện trở đo mắc nối tiếp

Trong sơ đồ này điện trở cần đo RX được mắc nối tiếp với cơ cấu đo (hình

2-11, a)

Hình 2-11

G Rx

R

G

R

Rx

R*

U

+

-U +

Từ hình vẽ ta có:

X g

R R

U I

+

Nếu U = const thì I g = f(R X ) Thang độ của dụng cụ khắc độ theo R x Vì hàm truyền (2-8) là phi tuyến nên thang độ R x sẽ không đều Khi R x thay đổi giá trị của I g

sẽ thay đổi

– Khi R x = 0 (ngắn mạch R x ), dòng I g = I max, góc lệch kim chỉ thị là lớn nhất

– Khi R x =∞ (hở mạch R x ), dòng I g = 0, góc lệch kim chỉ thị bằng 0

Như vậy thang độ của ôm kếá loại này ngược với thang đo thông thường, giá trị 0 Ω ở tận cùng bên phải, còn giá trị ∞ Ω ở tận cùng bên trái

–Lưu ý Kết quả đo R x chỉ chính xác khi điện áp nguồn không đổi U = const Để có

thể hiệu chỉnh điện áp nguồn trong một phạm vi biến đổi nhất định, người ta dùng

thêm một biến trở R * mắc song song với cơ cấu đo (hình 2-11, b) Trước mỗi lần đo ta

phải ngắn mạch 2 que đo (ngắn mạch R x) và điều chỉnh kim đồng hồ chỉ đúng số 0,

sau đó tiến hành đo thì kết quả chỉ thị mới chính xác Núm điều chỉnh của biến trở R *

được đưa ra trước mặt máy và thường ký hiệu bằng chữ Ω

Mạch đo ôm mắc nối tiếp như trên được dùng rộng rãi trong các đồng hồ vạn năng Thông thường thang độ ôm kếá được cấu tạo theo kiểu thang đo sau lớn gấp 10 lần thang đo trước, nên khi chuyển thang đo chỉ cần nhân hệ số x10, x100, x1000 Hình 2-12 là mạch đo điện trở trong đồng hồ vạn năng 108-T

R8

R21

R23

R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1

R22

R17

R18 X1

X10

X1K X10K

1,5V 1,5V

R20

+

-R19

Hình 2-12 Mạch đo điện trở trong đồng hồ vạn năng 108-T

2.4.2 Ôm kế có điện trở đo mắc song song

Sơ đồ của ôm kế mắc song song như hình 2-13 Tương tự như ôm kế mắc nối tiếp, ta xét 2 trường hợp:

– Khi ngắn mạch R x (R x = 0) , dòng qua cơ cấu đo bằng 0

– Khi hở mạch R x (R x = ∞) dòng qua cơ cấu đo sẽ được xác định bởi điện trở

cơ cấu đo và điện trở mạch ngoài:

g

R R

U I

+

Lúc này dòng điện qua cơ cấu đo sẽ là lớn nhất

Khi mắc song song R x với điện kế G, dòng qua mạch đo sẽ là:

g x

g x

R R

R R R

U I

+ +

= (2-10)

R

Rx

G Rx

R*

U

+

-a)

-+

-U +

b)

R

Hình 2-13

Các biểu thức (2-9) và (2-10) cho thấy thang độ của đồng hồ sẽ không đều và cũng thuận chiều bình thường như các thang đo điện áp và dòng điện

Để điều chỉnh điểm 0 ban đầu cũng sử dụng thêm điện trở R * mắc nối tiếp với mạch đo (hình 2-13, b)

2.5 Thang đo đề xi ben

Trong một số đồng hồ vạn năng có thêm thang đo đề xi ben (dB) dùng để đo mức tín hiệu xoay chiều

Mức chuẩn quy định 1mW trên gánh 600Ω thì điện áp tương ứng là 0,775 V

(được tính từ hệ thức: P = U 2 /R từ đó thì U = P R )

Thang độ dB tương ứng với thang đo điện áp xoay chiều trên đồng hồ O dB ứng với vạch kim 0,775V của thang đo điện áp xoay chiều

Đối với các thang đo khác, giá trị dB được tính bằng cách cộng thêm vào chỉ số của dụng cụ với trị số không đổi ghi trên mặt đồng hồ

Ví dụ: Đo bằng thang đo 50 V (14) , số chỉ trên thang độ là +10 dB, thì trị số thực sẽ là : +10 + 14 dB = 24 dB

Đo bằng thang đo 500 V(34), kết quả đo sẽ là = số chỉ + 34 dB,

§ 3 ĐO ĐIỆN ÁP BẰNG CÁC VÔN MÉT TƯƠNG TỰ

3.1 Đặc tính chung

Đo điện áp là một trong những phép đo cơ bản nhất để đo các thông số của tín

hiệu Khi cần kiểm tra, xác định chế độ công tác của thiết bị điện tử thì phép đo điện áp được sử dùng nhiều nhất Sở dĩ vậy, vì phép đo thực hiện nhanh chóng, dễ tiến hành và có độ chính xác cao

Đặc điểm của phép đo điện áp trong kỹ thuật điện tử là khoảng trị số đo rộng và ở trong một dải tần rất rộng dưới nhiều dạng tín hiệu điện áp khác nhau Độ lớn của điện áp cần đo có trị số từ vài micrôvôn đến hàng trăm kilôvôn Dải tần của điện áp cần đo từ điện áp một chiều, điện áp có tần số biến đổi chậm (khoảng vài phần trăm Hz) đến điện áp có tần số khá cao tới hàng ngàn MHZ

Các trị số của điện áp cần đo thường là trị đỉnh (biên độ); trị hiệu dụng và trị trung bình

– Trị số đỉnh U m là giá trị tức thời cực đại của điện áp trong khoảng thời gian quan sát (hay trong một chu kỳ) Đối với điện áp không đối xứng thì có 2 giá trị đỉnh: đỉnh dương và đỉnh âm Với điện áp điều hòa trị đỉnh chính là trị biên độ

– Trị hiệu dụng U là giá trị trung bình bình phương của điện áp tức thời trong

khoảng thời gian đo (hay trong một chu kỳ)

∫

= T u t dt T

U

0

2( )

Đối với điện áp có chu kỳ dạng không sin, thì bình phương trị số hiệu dụng của điện áp này bằng tổng của bình phương thành phần điện áp một chiều và bình phương của các thành phần điều hòa

02 + 12 + 22 +

U

=

=

0

2

k k

U

– Trị số trung bình của điện áp (thành phần một chiều) là trị số trung bình cộng các giá trị tức thời trong khoảng thời gian đo (hay trong 1 chu kỳ)

∫

= T

T

U

0

) (

1

(2-13) Trong trường hợp chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, thì nó bằng trị trung bình cộng của trị số tuyệt đối các giá trị tức thời:

dt t u T U

T

tb = ∫

0

) (

1

(2-14) Giữa các trị số trị đỉnh, trị hiệu dụng và trị trung bình có các mối quan hệ biểu thị qua các tỷ số sau:

U

U

k b – Hệ số biên độ của tín hiệu điện áp

tb d

U

U

k d – Hệ số dạng của tín hiệu điện áp

Trên hình 2-13 là ví dụ để tính các hệ số k b và k d của các điện áp có các dạng khác nhau

– Khi điện áp dạng sin (hình 2-14, a): U m =U; U tb = 0,9 U;

Vậy : k b = 1,41; k d = 1,11

– Khi điện áp dạng răng cưa (hình 2-14, b), có biên độ U m , chu kỳ T

T

U t

u( ) = m , Trị số điện áp hiệu dụng:

3 1

0

2 2

2

m

T

dt t T

U T

2

m tb

U

U = – Khi điện áp có dạng xung vuông góc đối xứng (hình 2-14, c) thì giá trị điện áp tức thời:

U(t) =

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

≤

≤

−

≤

≤

T t

T U

T t U

m

m

2 :

2 0

:

Trị số điện áp U = U m và U tb = U m ; do đó: k b = 1 và k d =1

u

Utb

a)

t T

u

T

Utb

b)

t

u

T/2 T/2

T

Um

c)

t

Hình 2-14

3.2 Các vôn mét điện tử đo điện áp một chiều

Các vôn kế từ điện bị một số hạn chế là:

– Trở kháng vào nhỏ, do đó không thể đo ở các sơ đồ có trở kháng cao; – Độ nhạy thấp, nên không thể đo được các điện áp quá nhỏ

Để khắc phục các nhược điểm trên, người ta sử dụng các bộ biến đổi điện tử, bán dẫn và thiết kế các máy đo có điện trở vào lớn, độ nhạy cao cho phép đo các điện áp rất thấp Các vôn mét điện tử VTVM (vacuum tube voltmeter) và vôn mét tranzistor TVM (transistor voltmeter) là những dụng cụ đo lường chính xác được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm vật lý

3.2.1 Vôn kế transistor tải emiter

Để tăng trở kháng vào của vôn mét, sử dụng tầng đệm lối vào trên transistor

Sơ đồ nguyên lý chỉ ra trên hình 2-15, a

Q

Rs

Rg

G

I

Rs

Rg

G

+V

V +

-I = -IE g

B i

cc

V = 0,7V

BE

R = Vi

IB

i

VE

i

R =Rs I

-V

g

+ R g

i +

Hình 2-15 a) Vôn kế sử dụng mạch tải emiter b) Mạch vôn kế thường

Điện kế từ điện được mắc trên cực emiter của transistor loại silic Q Giả sử rằng nguồn nuôi Vcc = 20V, điện trở tải Rs + Rg = 9,3kΩ , dòng lệch toàn thang của điện kế là Ig = 1mA

Nếu điện áp lối vào là Vi = 10V, sụt áp trên tiếp giáp VBE = 0,7V, như vậy điện áp ra trên emiter của transistor sẽ là:

VE = Vi – VBE = 10 V – 0,7 V = 9,3 V

Dòng điện chạy qua cơ cấu đo (Ig) chính bằng dòng emiter của transistor (IE), tức là ta có:

V R

R

V

g S

3 , 9

3 , 9

Ω

= +

Mặt khác IE ≈ IC = β IB, từ đó ta có : IB ≅ IE / β Giả thiết rằng β = 100, thì:

IB = 1 mA / 100 = 10 µA

– Điện trở vào của mạch gánh emiter (của vôn kế):

A

V I

V R

B

i

10

– So sánh với mạch vôn kế thường (hình 2-15, b)

Ở đây điện kế 1 mA được dùng để đo điện áp 10 V Trong trường hợp này, điện trở vào của vôn kế khi điện áp vào 10 V sẽ là:

mA

V I

V

g

1

10

Như vậy sử dụng mạch khuếch đại đệm trên transistor đã làm tăng trở kháng vào của vôn kế (đối với trường hợp đang xét thì tăng từ 10 kΩ lên 1 MΩ)

– Nhận xét Khi mắc thêm tầng đệm emiter, do sụt áp trên tiếp giáp VBE nên sẽ gây

ra sai số của dụng cụ khi thay đổi điện áp lối vào Thực vậy, giả sử Vi = 5V, lẽ ra kim đồng hồ phải chỉ ở ½ thang đo, nghĩa là 0,5 mA Tuy nhiên ta thấy:

VE = Vi – VBE = 5 V – 0,7 V = 4,3 V;

Và dòng qua điện kế sẽ là:

Ig = VE / (RS + Rg) = 4,3 V / 9,3 kΩ = 0,46 mA

Như vậy kết quả đo sẽ không chính xác Để loại bỏ sai số nói trên, người ta sử

dụng tổ hợp các mạch chia áp và mạch gánh emiter (hình 2-16)

3.2.2 .Mạch vôn kế tải emiter thực tế

Trên hình 2-16 các điện trở R3, R5 cùng chiết áp R4 tạo ra bộ chia áp cho điện áp VP điều chỉnh được Điện trở R1 định thiên cho Q1 ở thế đất khi không có điện áp vào tác dụng Mạch sử dụng nguồn nuôi đối xứng ± Vcc = ± 10V

Khi không có điện áp vào tác dụng: Vi = 0 V, đáy của Q1 ở 0 V, điện áp emiter của Q1 lúc này là:

VE = VB – VBE = 0 V – 0,7 V = –0,7 V

Và thế trên điện trở R2 sẽ là :

V2 = VR2 = VE – ( -Vcc) = 0,7 V – (-10 V) = + 9,3 V

Điều chỉnh biến trở R4 để có VP = 0,7 V so với đất hoặc +9,3 V so với –Vcc , khi đó điện áp đặt vào điện kế sẽ bằng 0, kim đồng hồ chỉ 0

Q1

R2

Rs+Rg

R3

R5 R4

I

R1

I

+V

V

B i

cc

VE

-Vcc

V p

3

I + I g g

I3

Hình 2-16 Sơ đồ vôn kế mạch gánh emiter với mạch bổ chính sụt áp trên tiếp giáp E-B

Bây giờ giả sử điện áp lối vào là Vi = 5V Lúc này điện áp emiter sẽ là:

-10 V) = 14,3 V

3 V – (-0,7 V) = 5 V

g hồ, mạch trên đã khử được sa

o rằng điện áp của bộ chia áp V

Hình 2-17 Mạch vôn kế thực tế

2 = 3,

tham số tĩnh của sơ đồ: Vp, IE1, IE2, I3 và IB khi điện áp ào Vi

ù khi Vi = 0V thì:

; (-VCC) = 0 – 0,7V – (-12V) = 11,3V;

–

VE = 5V – 0,7V = 4,3 V;

và: V2 = VE – (-Vcc) = 4,3 V – (

Điện áp đặt vào máy đo sẽ là:

Vg = VE – Vp = 4, Như vậy toàn bộ giá trị của điện áp vào đặt vào đồn

i số do sụt áp trên tiếp giáp E-B của transistor

– Nhận xét Kết quả tính toán ở trên chỉ đúng khi ch

p không bị ảnh hưởng bởi dòng của máy đo Điều này chỉ đúng nếu dòng qua bộ chia áp (I3) lớn hơn nhiều lần dòng lệch cực đại của điện kế (Ig), Nghĩa là: I3 >> Ig Tuy nhiên nếu điều kiện này thực hiện sẽ gây tổn hao nguồn DC Để khắc phục nhược điểm này, người ta dùng một mạch gánh emiter trên Q2 như sơ đồ hình 2-17

I

Q1

R2 R1

R4

R5

R3

Q2

Rs+Rg

R6

I I

Vi

B

+V

V

cc

-Vcc

V p

3

I

B g

ïch bổ chính trên transistor và cầ

, giả sử ta có vôn kế với các mạch bổ chính như hình

R 9kΩ, R6 = 3,9kΩ, R3 = 2,7kΩ, R4 = 1kΩ, R5 = 2,2 kΩ và Rs+ Rg= 1kΩ Dòng lệch toàn thang của điện kế làø Ig = 1mA; Điện áp nguồn nuôi ±VCC = ±12V Các transistor loại Si có β = 100

Ta hãy xác định các

Ta co

VB2 = VB1 = 0V

VP = VB2 = 0V;

VR2 = Vi – VBE –

IE1 = VR2/R2 = 11,3 V/ 3,9 kΩ ≈ 2,9 mA;

IE1 = IE2 = 2,9 mA;

mA k

k k

V V

R R R

V V

I cc ( cc

07 , 4 2

, 2 1 7 , 2

) 12 ( 12 )

5 4 3

Ω +

Ω + Ω

−

−

= + +

−

−

và: IB ≈ IE / β = 2,9 mA /100 = 29 µA

= 4,07mA

Để thay đổi tầm đo cho vôn mét, người ta mắc bộ phân áp lối vào như sơ đồ chỉ ra t

Hình 2-18 Mạch suy giảm đầu vào

Mạch chia áp gồm các điện tr ho phép chia một cách chính xác điện áp cần đo trước khi

Như vậy thỏa mãn điều kiện IB = 29 µA << I3

3.2.3.Mạch suy giảm dần đầu vào

rên hình 2-18

Rb

Rc Ra

R1

Q3 Q1

R2

SW

25V

5V i

Bộ suy giảm đầu vào

V

10V

10K 40K 50K 150K

VE

ở R1, Ra, Rb và Rc c tác động vào transistor lối vào Mạch suy giảm đảm bảo khi tác dụng điện áp vào bất kỳ lối vào nào thì mức tối đa của điện áp lối vào transistor VB luôn luôn là 1V Ví dụ ở thang đo 25V:

K K

K K

K V

R R R R

R V

c b a

40 50

150 10

1

= Ω +

Ω +

Ω +

Ω

Ω

=

=

+ + + Như vậy, tùy thuộc vào khoảng đo đã chọn mà vị trí toàn thang đo của dụng

ng hồ, người ta dùng thêm một transistor Q3 mắc

cụ được tính là 25 V, 10 V hay 5 V

Để tăng điện trở vào của đồ

Daclington với Q1 Như vậy dòng đáy Q1 sẽ là dòng emiter của Q3 Giả sử chọn hệ số khuếch đại dòng của Q1 và Q3 là như nhau: β1 = β3 = 100

Từ hình vẽ ta có:

IB3 = IB1 /β3 = IE1/ β1 β3; Với dòng emiter IE1 = 2,9 mA như trong ví dụ ở phần trên thì ta có:

A

I B3 = 2,9mA =0,29µ

100

100× mạch thì:

Khi với mình Q1 trong