chuong 2 : ĐO DÒNG ĐIỆN ĐIỆN ÁP

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.

KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐO DÒNG ĐIỆN – ĐIỆN ÁP 2.1 ĐO DỊNG ĐIỆN 2.1.1 Đo dịng điện chiều: a) Các đặc tính bản: ampemét chiều chế tạo chủ yếu dựa cấu thị từ điện với đặc tính sau: - Dịng cho phép: thường 10-1 ÷ 10-2A - Cấp xác: 1,5; 1; 0,5; 0,2; cao đạt tới cấp 0,05 - Điện trở cấu: khoảng từ 20Ω ÷ 2000Ω Vì muốn sử dụng cấu để chế tạo dụng cụ đo dòng điện lớn dòng qua cấu thị, phải dùng thêm điện trở sun phân nhánh nối song song với cấu thị từ điện (hình 2.1): Hình 2.1 Mắc điện trở sun phân nhánh nối song song với cấu thị từ điện Sơ đồ cấu tạo ampemét từ điện hình 2.1 b) Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện có thang đo: dựa thơng số cấu thị từ điện dòng điện cần đo, tính giá trị điện trở sun phù hợp cho dòng điện cần đo là: Rs = rct / (n-1) với: rct : điện trở cấu thị từ điện n = I / Ict : hệ số mở rộng thang đo Ampemet I : dòng điện cần đo Ict : dòng cực đại mà cấu thị chịu Đối với ampemét đo dòng điện nhỏ 30A sun đặt vỏ ampemét Cịn ampemét dùng đo dịng điện lớn 30A sun đặt vỏ (coi phụ kiện kèm theo ampemét; phần nghiên cứu mục đo dòng điện lớn) c) Chọn điện trở sun cho ampemét từ điện có nhiều thang đo: sở mắc sun song song với cấu thị chế tạo ampemét từ điện có nhiều thang đo Hình 8.2 sơ đồ ampemét từ điện thang đo (I 1, I2, I3, I4) Các điện trở sun RS1, R , R , RS4 mắc nối tiếp với nối song song với rct Tính điện trở sun RS1, RS2, RS3, RS4 cách lập hệ phương trình ứng với dịng khác nhau: S2 S3 KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ r I R s = ct = Rs1 + Rs + Rs + Rs ; n4 = ∑ n4 − I ct r + Rs I R s = ct = Rs1 + Rs + Rs ; n3 = ∑ n3 − I ct R s2 = ∑ rct + Rs + Rs I = Rs1 + Rs ; n2 = n2 − I ct R s1 = ∑ rct + Rs + Rs + Rs I = Rs1 ; n1 = n1 − I ct Ta có phương trình với ẩn số, giải tìm RS1, RS2, RS3, RS4 Hình 2.2 Mắc điện trở sun ampemét có nhiều thang đo Để giữ cho cấp xác ampemét từ điện không thay đổi giới hạn đo khác nhau, phải chế tạo sun với độ xác cao độ xác cấu từ điện cấp Ví dụ: cấu từ điện có cấp xác 0,5 sun phải có cấp xác 0,2 Thường chế tạo sun mangannin chỉnh định xác 2.1.2 Đo dịng xoay chiều: Tùy theo phạm vi mục đích sử dụng mà có loại ampemét xoay chiều sau: - Để đo dịng điện xoay chiều miền tần số cơng nghiệp: thường dùng ampemét điện từ, điện động sắt điện động - Đo dòng điện miền tần số âm tần dùng nhiều thang đo khác nhau: thường sử dụng ampemét vòng từ điện chỉnh lưu - Đo dịng xoay chiều có tần số cao siêu cao: thường dùng ampemét nhiệt điện a) Ampemét điện từ : chế tạo dựa cấu thị điện từ Mỗi cấu điện từ chế tạo với số ampe.vòng định (I.W): - Cơ cấu cuộn dây trịn: thường có I.W = 200A vịng - Cơ cấu cuộn dây dẹt: thường có I.W = 100 ÷ 150A vịng - Cơ cấu có mạch từ khép kín: I.W = 50 ÷ 1000A vịng Như để mở rộng thang đo ampemét điện từ cần thay đổi để đảm bảo I.W = const - Mở rộng thang đo ampemét điện từ phương pháp phân đoạn cuộn dây tĩnh cấu điện từ: ampemét điện từ nhiều thang đo chế tạo cách chia cuộn dây tĩnh thành nhiều phân đoạn nhau, thay đổi cách nối ghép phân đoạn (song song nối tiếp) để tạo thang đo khác KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Hình2.3 Mở rộng thang đo ampemét điện từ: a) Đo dòng điện I b) Đo dòng điện 2I Tuy nhiên phương pháp áp dụng để chế tạo ampemét điện từ có nhiều ba thang đo, tăng số lượng thang đo việc bố trí mạch chuyển thang đo phức tạp khơng thể thực - Mở rộng thang đo ampemét điện từ cách dùng biến dòng: 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 miền tần số cao tần số cơng nghiệp (cỡ 400÷2000Hz) Do cấu điện động cấu xác cao tín hiệu xoay chiều ampemét điện động có xác cao (0,2 ÷ 0,5) nên thường sử dụng làm dụng cụ mẫu Có hai loại sơ đồ mạch ampemét điện động : - Khi dòng điện cần đo nhỏ 0,5A: mạch ampemét cuộn dây động cuộn dây tĩnh ghép nối tiếp với (H.2.4a) - Khi dòng điện cần đo lớn 0,5A: sơ đồ mạch ampemét cuộn dây động cuộn dây tĩnh ghép song song với (H.2.4b) Các phần tử R L sơ đồ dùng để tạo mạch bù sai số tần số làm cho dòng điện cuộn dây động cuộn dây tĩnh pha với Hình 2.4 Cách xếp mạch ampemét điện động: a) Mắc nối tiếp; b) Mắc song song A: cuộn dây tĩnh; B: cuộn dây động KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Cách mở rộng thang đo chế tạo ampemét điện động nhiều thang giống ampemét điện từ Sai số tần số ampemét điện từ điện động tần số vài kHz đến vài chục kHz lớn Vì để đo dòng điện âm tần người ta thường dùng ampemét từ điện chỉnh lưu c) Ampemét chỉnh lưu: ampemét kết hợp cấu thị từ điện mạch chỉnh lưu điốt chỉnh lưu cặp nhiệt ngẫu (gọi ampemét nhiệt điện) Các mạch chỉnh lưu thường gặp 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 mạch chỉnh lưu dùng điốt dịng (Si Ge) - Mạch theo hình 2.5b: dịng điện chỉnh lưu hồn tồn qua cấu thị, hệ số chỉnh lưu cao - Mạch theo hình 2.5c: phần dịng điện chỉnh lưu qua cấu thị, phần lại điện trở R, hệ số chỉnh lưu mạch khơng cao - Mạch theo hình 2.5d: phần dòng điện chỉnh lưu qua cấu thị, phần lại qua điện trở R, hệ số chỉnh lưu mạch khơng cao - Nói chung ampemét chỉnh lưu xác khơng cao hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi, điện trở thuận ngược điốt thay đổi không (cụ thể nhiệt độ tăng, điện trở ngược điốt giảm nhiều so với điện trở thuận) Dẫn đến hệ số chỉnh lưu điốt 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 sơ đồ chỉnh lưu, ampemét chỉnh lưu giá trị trung bình dịng xoay chiều, thông thường dụng cụ điện từ, điện động đo dòng xoay chiều khắc độ theo giá trị hiệu dụng để thống khắc độ dụng cụ đo xoay chiều ampemét chỉnh lưu phải khắc độ theo trị hiệu dụng Cách biến đổi để khắc độ Ampemét chỉnh lưu theo trị hiệu dụng sau: Phương trình đặc trưng cấu từ điện: α= B.S W B.S W I B.S W I I tb = I tb = I D D I D I tb Gọi I/Itb = k, thì: KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ α= B.S W I D.k Như khắc độ để lấy giá trị hiệu dụng thang đo phải chia cho hệ số k d Nếu dịng điện có dạng sin kd = 1,11 - Một số sơ đồ Ampemét từ điện chỉnh lưu (H.2.6a,b) Hình 2.6 Bù tần số ampemét chỉnh lưu: a) Bù cuộn cảm ampemét chỉnh lưu đo dòng nhỏ b) Bù điện dung ampemét chỉnh lưu đo dịng lớn • Đo dòng nhỏ (bằng nhỏ dòng qua cấu thị ít): mắc mạch chỉnh lưu nối tiếp với cấu thị mắc trực tiếp vào mạch đo, khơng cần sun • Đo dịng lớn dòng qua cấu thị: mắc cấu song song với sun (H.2.6) Ở sun làm nhiệm vụ mở rộng giới hạn đo dòng, đồng thời vừa để bù sai số nhiệt độ tần số Trong sơ đồ hình 2.6a: RCU để bù nhiệt độ, cịn L để bù tần số Trong sơ đồ hình 2.6b: dùng C để bù sai số tần số Ngày thường chế tạo dụng cụ chỉnh lưu tổng hợp: vừa đo dòng, áp chiều, xoay chiều điện trở nhờ đổi nối Các dụng cụ có nhiều thang đo dịng, áp, điện trở nhờ có sử dụng sun; điện trở phụ nhiều giá trị khác Ví dụ thang đo dịng điện từ 3mA đến 6A; điện áp từ 75mV đến 600V (thang 75mV đo áp chiều); điện trở từ 500Ω đến 5MΩ Thang đo dụng cụ chỉnh lưu với điện xoay chiều điện chiều khác Do đặc tính V.A dịng điện xoay chiều nhỏ phi tuyến nên phần đầu thang đo (10 ÷ 15%) khơng - Ưu điểm dụng cụ chỉnh lưu điốt: độ nhạy cao, tiêu thụ cơng suất nhỏ, làm việc tần số cao (khơng có mạch bù tần số dùng tần số 500 đến 2000Hz); có mạch bù tần số dùng đến 50kHz đảm bảo xác - Nhược điểm: xác khơng cao (khoảng cấp 1,5 ÷ 2,5), ampemét chỉnh lưu thường khắc độ theo tín hiệu sin Nếu dùng ampemét đo dịng điện khơng sin xuất sai số hình dáng d) Ampemét nhiệt điện: ampemét chỉnh lưu nhờ cặp nhiệt ngẫu biến dòng điện xoay chiều thành chiều cấu tạo hình 2.7: KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Hình 2.7 Ampemét nhiệt điện - Nguyên lý làm việc Ampemét nhiệt điện: có dịng điện xoay chiều IX chạy qua sợi dây dẫn làm dây bị đốt nóng Nhiệt độ dây dẫn là: T0 = k0I2 với k0 số, phụ thuộc nhiệt dung dây dẫn X Nhiệt độ làm nóng đầu công tác cặp nhiệt ngẫu, đầu tự xuất sức điện động nhiệt: Et = k1.T0 = k1.k0.I2x = k2.I2x (k1 số phụ thuộc vật liệu số tính cặp nhiệt ngẫu) Hai đầu tự cặp nhiệt ngẫu nối với cấu thị từ điện nên suất điện động Et đặt lên cấu sinh dòng điện qua cấu làm kim lệch góc α : α= Et B.S W B.S W I = D D rct + Rn với:I0 : dòng điện qua cấu thị Rn : điện trở cặp nhiệt ngẫu rct : điện trở cấu thị Từ có quan hệ góc quay (độ thị) dòng điện cần đo: α= B.S W k2 I x2 = K I x2 D rct + Rn Để tăng sức điện động nhiệt E t nhằm dễ dàng nhận biết kết đo thị từ điện, người ta thường mắc nối tiếp cặp nhiệt ngẫu với thông qua khuyếch đại chiều - Ưu điểm ampemét nhiệt điện: cho phép đo dòng điện tần số cao; dải tần làm việc rộng (từ chiều đến hàng trăm MHz) - Nhược điểm ampemét nhiệt điện: có sai số lớn, khả qua tải kém, công suất tổn hao lớn 2.2 ĐO ĐIỆN ÁP 2.2.1: Đo điện áp chiều Vôn mét chiều chế tạo gồm cấu thị từ điện nối tiếp với điện trở phụ Rp hình Khác với ampemet, vôn mét dùng để đo điện áp rơi phụ tải điện áp hai đầu mạch điện, ln mắc song song với phụ tải cần đo Điện trở phụ ( Rp) tính theo công thức: Rp = RCT ( m -1) (2.1) Với m = U U CT (2.2) Rp : điện trở phụ RCT : điện trở cấu thị U : điện áp cần đo KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ UCT : điện áp rơi cấu thị Rp ICT V RCT Hình 2-8: Để mở rộng nhiều thang đo ta mắc theo sơ đồ hình 2-9a, 2b V1 R2 V2 + R1 ICT R3 V3 RCT Hình 2-9a R1 R2 R3 R4 ICT V1 V2 RCT V3 V4 Hình 2-9b Cách tính điện trở phụ theo hình 2-9a tính theo cơng thức (2.1) (2.2) Cách tính điện trở phụ theo hình 2-9b tính theo cơng thức sau: v1>v2>v3>v4 -Điện trở tồn thang đo vị trí V4: Rt = V4 R4 = Rt - RCT I CT - Điện trở tồn thang đo vị trí V3 : Rt = V3 R3 = Rt – ( R4 + RCT ) I CT - Điện trở toàn thang đo vị trí V2: Rt = V2 R2 = Rt – ( R4 + RCT + R3 ) I CT - Điện trở toàn thang đo vị trí V1: Rt = V1 R1 = Rt – ( R4 + RCT + R3 + R2 ) I CT KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ • Độ nhạy vơn mét tính theo biểu thức: S= Ω ( ) It V Trong It : dịng lệch tồn thang đo • Từ độ nhạy S ta tính điện trở phụ (Rp) vơn mét Rp = ( S.U ) - RCT Trong U : điện áp cần đo S : độ nhạy ( Ω ) V RCT : điện trở cấu thị 2.2.2 Vônmét xoay chiều: 2.2.2.1 Vônmét điện từ chỉnh lưu:Là dụng cụ phối hợp mạch chỉnh lưu cấu thị từ điện Chỉnh lưu thực dạng chu kỳ chu kỳ Khi dòng chiều thuận, diốt silic thường có độ sụt áp thuận 0,7V diốt Gecmani có độ sụt áp cở 0,3V Khi dịng chiều ngược dịng nhỏ so với dịng thuận Hình 2-10a: sơ đồ vônmét chỉnh lưu nửa chu kỳ, hình 2-10b: vơnmét chỉnh lưu chu kỳ mắc kiểu cầu với điện áp hình vẽ Đặc điểm vơnmét chỉnh lưu độ xác khơng cao ( cấp xác từ 11,5) thang đo khơng đặc tính phi tuyến diốt, vônmet chỉnh lưu chế tạo đo điện áp hình sin với hệ số hình dáng khd = 1,1 đo với tín hiệu khác sin gây nên sai số đo Dải tần làm việc dụng cụ 10÷20Khz 2.2.3 Vơnmét điện tử: a/ Vônmét tranzito: IB +E UBE + IE = ICT RP UE UCC RCT CT - - Hình 2-10 Hình 2-10: sơ đồ vơn mét đơn giản có mạch gánh emitơ Đầu vào tranzito cung cấp nguồn chiều Cực dương nguồn nối với colectơ tranzito, đầu âm nối với thị emitơ Điện trở Rp RCT điện trở phụ điện trở 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 chiều mủi tên, nguồn cung cấp Uct = 20V, Rp + RCT + 9.3kΩ ICT = 1mA Lúc điện đầu emitơ tranzito thấp bazơ 0.7V Vậy U E = E – UBE = 9.3V Dòng qua thị dòng emitơ ( IE ) : KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ UE IE = R + R ) = 1mA ( p CT IE với hEF : hệ số khuếch đại dòng emitơ chung hEF : hEF = 50 ÷ 200 Biết IB ≈ Và Chọn :hEF =100, ta có : IB = 10 µ F Điện trở vào mạch gánh emitơ, điện trở tải nguồn 10V tính sau : Rv = G E = 1MΩ IB +VCC D R4 S Q1 Ev R1 ICT + V1 Q2 RCT - V2 R5 R3 R2 -VEE F E T Hình 2-11 Vậy điện trở vôn mét dùng mạch gáng enitơ tăng lên đáng kể Trong thực tế để tránh độ sụt áp UBE tranzito gây nên sai số vônmét tăng điện trở đầu vào người ta sử dụng mạch sơ đồ hình Đầu vào khuếch đại tranzito thường( FET ) để tăng điện trở vào Vônmét gánh emitơ: khuếch đại vi sai mắc theo kiểu cân bằng, tải emitơ colectơ chúng nối với cực dương nguồn UCC Hai tranzito Q1, Q2 giống điện trở định thiên R1, R5, R4 tạo nên dòng điện bazơ Q1, Q2 V1, V2 Với R3, R2 : điện trở gánh emittơ Khi điện áp vào Ev = 0, V1= V2, cầu trạng thái cân bằng, dòng điện qua thị ICT=0 Khi Ev >0 lúc điện bazơ tranzito Q1(V1) tăng lên V1>V2: U12= V1 V2>0 xuất qua thị (ICT>0), dòng điện tỷ lệ với điện áp đo Ưu điểm cuả vonmet điện trở vào lớn, trơi điểm ze6ro mà khuếch đại chiều thường gặp 2.2.4 Vonmet khuếch đại điều biến Nhược điểm lớn vonmet điện tử chiều bị trơi điểm zêro đặc tính linh kiện thay đổi nhiệt độ môi trường thay đổi, điều hạn chế việc đo linh kiện nhỏ Để khắc phục nhược điểm ta dùng vonmet khuếch đại điều biến hình 2- Điện áp chiều đưa vào điều biến tạo thành điện áp xoay chiều sau đưa đến khuếch đại xoay chiều để tăng độ lớn Tín hiệu qua giải điều biến để biến đổi trở lại thành điện áp chiều tỷ lệ với tín hiệu ban đầu KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ U Bộ điều biến Giải điều biến Lọc thông thấp Ra khuếch đại chiều Khuếch đại xoay chiều Tín hiệu đầu vào Máy phát sóng Hình 2-12 Sơ đồ khối vonmet khuếch đại điều biến Tín hiệu vào cỡ vài μV, sau qua điều biến thành xoay chiều tần số 100÷300Hz Bộ điều biến thực khí điện tử Hình 2- a sơ đồ đơn giản điều biến điện tử V dc U t ñ i e än t r ô ûq u a n g ñ e øn c h i e áu s a ùn g (b ) (a ) Hình 2- 13a Nguyên lý điều biến điện tử, b sóng điện áp Ở nguồn sáng thay đổi nhanh từ cực đại đến cực tiểu, chiếu vào quang điện trở làm cho điện trở thay đổi từ Rmax đến Rmin tạo nên dãy xung liên tiếp Hình 2-13b, biểu đồ thời gian xung Hình 2-14 mô tả sơ đồ nguyên lý vonmet điều biến ứng với nguyên lý nói Bộ tạo dao động (máy phát sóng) điều khiển đèn neon xen kẽ chiếu sáng vào quang điện trở với tần số 100Hz Trong đèn neon chiếu sáng quang điện trở, đầu vào khuếch đại xoay chiều, đầu Hai quang điện trở tạo thành điều biến giải điều biến Khi có ánh sáng chiếu vào quang điện trở, điện trở bị giảm xuống quang điện trở điện trở tăng lên (do không chiếu sáng) chúng hoạt động giống chuyển mạch đóng mở xen kẽ với tần số nhấp nháy đèn Tín hiệu chiều qua điều biến tạo thành xung vng có biên độ tỷ lệ với tín hiệu đưa vào có tần số tương ứng với tần số dao động Các xung đưa qua khuếch đại xoay chiều sau qua giải điều biến để trở thành chiều Bộ lọc thơng thấp có nhiệm vụ loại bỏ thành phần xoay chiều Ưu điểm vonmet điều biến điện trở vào lớn (100MΩ ), dãi đo rộng (3μ÷1KV) sai số ±2% toàn thang đo 10 KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ t í n h i e äu v a øo dc g i a ûi ñ i e àu b i e án k h u e ác h ñ a ïi x o a y c h i e àu ñ i e àu b i e án l o ïc t h a áp t a àn c quang đ i e än t r û M áy phát sóng Hình 2-14 11 Đèn neon k h u e ác h ñ a ïi c h i e àu ... tải cần đo Điện trở phụ ( Rp) tính theo công thức: Rp = RCT ( m -1) (2. 1) Với m = U U CT (2. 2) Rp : điện trở phụ RCT : điện trở cấu thị U : điện áp cần đo KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ UCT : điện áp rơi... phân đo? ??n nhau, thay đổi cách nối ghép phân đo? ??n (song song nối tiếp) để tạo thang đo khác KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Hình2.3 Mở rộng thang đo ampemét điện t? ?: a) Đo dòng điện I b) Đo dòng điện 2I Tuy... ĐIỆN ÁP 2. 2. 1: Đo điện áp chiều Vôn mét chiều chế tạo gồm cấu thị từ điện nối tiếp với điện trở phụ Rp hình Khác với ampemet, vôn mét dùng để đo điện áp rơi phụ tải điện áp hai đầu mạch điện, ln