Трансформаторный мост Советский патент 1980 года по МПК G01R17/12 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к трансформаторным мостам для измерения параметров комплексных сопротивлений.

Известны трансформаторные мосты переменного тока с бесконтактной коммутацией числа витков в регулируемой обмотке трансформатора напряжения 1.

В этих мостах применяются трансформаторы для внутридекадного сложения напряжений. Такое техническое решение приводит к большой погрешности измерения приборов в диапазоне частот и усложняет устройство.

Наиболее-близок к предлагаемому трансформаторный мост, содержаш,ий генератор, трансформатор напряжения с регулируемой и нерегулируемой вторичными обмотками, коммутирующие транзисторы, подключенные к отводам регулируемой обмотки, индикатор равновесия, а также образцовое сопротивление, включенное между индикатором равновесия и вторичной обмоткой трансформатора напряжения 2.

Недостаток известного устройства заключается в повышенной погрешности измерения на высоких частотах. Действительно,

между потенциальным выводом одной из вторичных обмоток и заземляемым выводом другой существуют значительные перекрестные емкости. При реализации тесной индуктивной связи между плечами отношений эти емкости могут достигать тысяч пикофарад и более. При этом на высоких частотах по указанным емкостям протекают значительные токи, которые замыкаются через заземляемые концы вторичных обмоток трансформатора напряжений. Поэтому, 10 если между заземляемым концом любой из вторичных обмоток и землей включено некоторое сопротивление, на нем возникает падение напряжения за счет токов, протекающих по межобмоточным емкостям. Последнее обстоятельство приводит к появлению

15 существенной аддитивной погрешности измерения. Включение коммутирующих транзисторов между отводами регулирующей обмотки и общей точкой измерительной цепи приводит к появлению описаиного эффекта, так как коммутирующие транзисторы в насы20щенном состоянии обладают относительно большим (2-5 Ом) сопротивлением.

Цель изобретения - повышение точности измерения в области высоких частот.

Поставленная достигается тем, что трансформаторный MOct переменного тока снабжен источником постоянного напряжения, подключенным к общему проводу, и управляемыми генераторами Тока, включенными между источником постоянного напряжения и соответствующими базами коммутирующих транзисторов , причем коллекторы коммутирующих транзисторов соединены и образуют выход регулируемой обмотки, а их эМиттеры подключены к соответствующим отводам регулируемой обмотки.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого трансформаторного моста; на фиг. 2 показан вариант реализации генераторов тока в виде эмиттерных повторителей.

Мост содержит генератор 1, трансформатор 2 напряжений, коммутирующие транзисторы 3i-3io, транзисторы управляемого генератора тока 4i-4io, источник 5 постоянного напряжения, индикатор 6 равновесия, а также образцовое 7 сопротивление, включенное между индикатором 6 равновесия и одной из вторичных обмоток трансформатора напряжения и вторичными обмотками трансформатора 2 напряжения. Между индикатором б и другой вторичной обмоткой трансформатора включают измеряемое сопротивление 8. Мост уравновещивается регулировкой числа витков регулируемой обмотки. Изменение числа витков регулируемой обмотки осуществляется путем поочередной коммутации коммутирующих транзисторов 3i-Зю. Генераторы тока виде эмиттерных повторителей собраны на транзисторах 4i-4io и резисторах 9t-9)о (фиг. 2).

Особенностью моста является включение в измерительную цепь коммутирующихтранзисторов и их цепей управления. Как видно на фиг. 1 все коммутирующие транзисторы включены между образцовым сопротивлением и соответствующими отводами регулируемой обмотки.

При таком включении коммутирующих транзисторов через них проходит только ток нагрузки (ток образцового сопротивления) и не проходит ток межобмоточных емкостей трансформатора 2 напряжения. Это предопределяет высокую точность работы устройства. Однако включение коммутирующих транзисторов, использованное в предлагаемом устройстве, приводит к тому, что цепи управления коммутирующего транзистора, являющегося в данный момент Насыщенным, находятся под переменным напряжением. В результа:те этого цепиуправления нагружают декадный делитель и вызывают появление существенной погрешности измерения. Для устранения этого недостатка цепи управлетитя коммутирующих транзисторов выполнены в виде управляемых генераторов тока, имеющих значительное (более ) выходное сопротивление по переменному .

В качестве управляемых генераторов тока использованЬ повторители напряжения, включенные между базами коммутирующих транзисторов и источниками постоянного напряжения. На вход указанных повторителей напряжения подаются сигналы управления коммутацией. Рассмотрим более подробно работу одной коммутирующей ячейки. Пусть на вход повторителя напряжения, собранного на транзисторе 4 подан потенциал управления Uy . Этот потенциал действует и на

резисторе 9i. Поэтому ток, протекающий через резистор 9i (а следовательно, и ток, протекающий в коллекторной цепи транзистора 4i, определяется только потенциалом управления и сопротивлением резистора

9i и не зависит от напряжения между коллектором и эмиттером транзистора 4|.

Коллекторный ток транзистора 4i является одновременно базовым током коммутирующего транзистора 3i. Проходя через пео реход база-эмиттер транзистора 3t, этот ток насыщает его и тем самым подключает образцовое сопротивления к отводу регулируемой обмотки, при этом электроды транзистора 3i эквипотенциальны, вследствие чего на коллекторе транзистора 4i действует выходное переменное напряжение регулируемой обмотки. Однако переменный ток, протекающий пО цепи управления, весьма незначителен, так как указывалось выще, ток повторителя напряжения, собранного д на транзисторе 4, практически не зависит от напряжения между коллектором и эмиттером этого транзистора. Как показывают., теоретический расчет и экспериментальная проверка, при приемлемых значениях резистора 9i (0,5-1,5 кОм) выходное сопротивление коллекторной цепи повторителя напряжения составляет порядка п-10 Ом. Если сопротивление насыщенного коммутирующего транзистора 3i составляет п-Ом, то погрешность, вызванная шунтирующим действием цепей управления, в предлагаемом устройстве пренебрежимо мала - порядка 10- или 0,0001%.

В предлагаемом устройстве, как и в устройстве-прототипе, сигнал управления Uy подается только на один из транзисторов S 4i-410 (в рассматриваемом случае - на транзистор 4i). При этом сигнал управления на базах остальных транзисторов равен нулю. Поэтому равен нулю и ток соответствующих транзисторов 4г-4io, а следовательно и базовый ток коммутирующих транзисторов Зг-3(0. В этом случае транзисторы 3|-3(0 могут рассматриваться как два встречно включенных диода (переход эмиттер-база и переход база-коллектор). Сопротивление разомкнутого ключа, при этом, очевидно, определяется для разных полуволн коммутируемого напряжения обратными сопротивлениями двух названных переходов. Для современных кремниевых транзисторов эти сопротивления имеют порядок n-lO Ом. Ток, протекающий через эти сопротивлеиия, замыкается через насыщенный коммутирующий транзистор и приводит к появлению погрешности измерения. Величину этой погрещности можно оценить как отнощение сопротивления насыщенного коммутирующего транзистора (п-Ом) к сопротивлению разомкнутого транзистора (). Учитывая, что число разомкнутых транзисторов равно девяти и они находятся под различными переменными напряжениями, можно показать, что максимальная погрешность измерения, вызванная неидеальностью свойств коммутирующих транзисторов, будет составлять величину 0,5-105, или 0,00005%. Положительный эффект, даваемый предлагаемым устройством, заключается в повышении на порядок точности трансформаторных мостов в широком диапазоне частот с бесконтактной коммутацией числа витков в регулируемой обмотке трансформатора напряжения. Формула изобретения 1. Трансформаторный мост содержащий генератор, к которому подключен трансформатор напряжения с регулируемой и нерегулируемой вторичными обмотками, коммутирующие транзисторы, подключенные к отводам регулируемой обмотки, индикатор равновесия, а также образцовое сопротивление, включенное между индикатором равновесия и вторичной обмоткой трансформатора напряжения, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерения, он снабжен управляемыми генераторами тока и источником постоянного напряжения, под: ключенным к минусовой шине, управляемые генераторы тока включены между источником постоянного напряжения и соответствующими базами коммутирующих транзисторов, причем коллекторы коммутирующих транзисторов соединены и образуют выход регулируемой обмотки, а их эмиттеры подключены к соответствующим отводам регулируемой обмотки. 2. Трансформаторный мост по п. 1, отличающийся тем, что управляемые генераторы тока выполнены в виде транзисторов, эмиттеры которых через резисторы подключены к источнику постоянного напряжения, коллекторы подключены к соответствующим базам коммутирующих транзисторов, а базы - к источникам коммутирующего сигнала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 464381, кл. G 01 R 17/12, 1975. 2.Мост переменного тока МЦЕ-12А. Техническое описание.

К