RU96257U1

RU96257U1 - VOLTMETER

Info

Publication number: RU96257U1
Application number: RU2010105830/22U
Authority: RU
Inventors: Юрий Соломонович Дубилер; Юрий Сергеевич Мальцев; Виктор Дмитриевич Шевченко
Original assignee: Юрий Соломонович Дубилер; Юрий Сергеевич Мальцев; Виктор Дмитриевич Шевченко
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2010-07-20

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к электроизмерительным приборам, предназначенным для измерения напряжения переменного тока. Вольтметр содержит два транзистора разного типа проводимости, эмиттеры которых объединены и служат первым входом вольтметра, а также измерительный прибор, включенный между коллекторами транзисторов. Вольтметр отличается тем, что он снабжен двумя резисторами, выводы которых подключены соответственно к коллекторам транзисторов, вторые выводы резисторов объединены и служат вторым входом вольтметра. В качестве измерительного прибора использован амперметр постоянного тока. Предложенное выполнение вольтметра позволило повысить точность измерения и температурную стабильность вольтметра за счет использования транзисторов в ключевом режиме при малых напряжениях на переходах коллектор-эмиттер, причем напряжение на электродах транзисторов не зависит от величины измеряемого сигнала. The utility model relates to the field of measurement technology, in particular, to electrical meters designed to measure AC voltage. The voltmeter contains two transistors of different types of conductivity, the emitters of which are combined and serve as the first input of the voltmeter, as well as a measuring device connected between the collectors of transistors. The voltmeter is characterized in that it is equipped with two resistors, the terminals of which are connected respectively to the collectors of transistors, the second terminals of the resistors are combined and serve as the second input of the voltmeter. A DC ammeter was used as a measuring device. The proposed implementation of the voltmeter made it possible to increase the measurement accuracy and temperature stability of the voltmeter due to the use of transistors in the key mode at low voltages at the collector-emitter junctions, and the voltage at the transistor electrodes does not depend on the magnitude of the measured signal.

Description

Настоящая полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к электроизмерительным приборам, предназначенным для измерения напряжения переменного тока, основанным на преобразовании измеряемого напряжения переменного тока в постоянный ток.This utility model relates to the field of measurement technology, in particular, to electrical measuring instruments for measuring AC voltage, based on the conversion of the measured AC voltage to direct current.

Известны вольтметры переменного тока, содержащие двухполупериодный выпрямитель, выполненный на полупроводниковых диодах, например, по мостовой схеме, и амперметр (миллиамперметр или микроамперметр) постоянного тока включенный в диагональ моста. Другая диагональ моста служит входом вольтметра. Диапазон измерения такого вольтметра может регулироваться резистором, включенным между одной из входных клемм и мостовой схемой (Волгин Л.И., Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М., «Сов. Радио», 1977, с.28, рис.2.2).Known AC voltmeters containing a half-wave rectifier made on semiconductor diodes, for example, according to a bridge circuit, and an ammeter (milliammeter or microammeter) of direct current included in the diagonal of the bridge. The other diagonal of the bridge serves as the input of the voltmeter. The measuring range of such a voltmeter can be controlled by a resistor connected between one of the input terminals and the bridge circuit (Volgin LI, Measuring transducers of alternating voltage to DC. M., "Sov. Radio", 1977, p.28, Fig.2.2) .

Недостатки таких вольтметров связаны с нелинейной вольтамперной характеристикой полупроводниковых диодов, а также со значительной температурной зависимостью вольтамперной характеристики полупроводниковых диодов от температуры. Это приводит к значительной погрешности вольтметров в особенности в области малых значений измеряемого сигнала.The disadvantages of such voltmeters are related to the nonlinear current-voltage characteristic of semiconductor diodes, as well as to the significant temperature dependence of the current-voltage characteristic of semiconductor diodes. This leads to a significant error of voltmeters, especially in the region of small values of the measured signal.

Для уменьшения температурной погрешности используют термозависимые элементы, включаемые либо последовательно с выпрямительным мостом, либо параллельно мосту, либо включают последовательно с измерительным прибором (микроамперметром) сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом (Таранюк В.А., Переносные многопредельные комбинированные приборы. М., "Энергия", 1970, с.25-27, рис.16).To reduce the temperature error, temperature-dependent elements are used, connected either in series with the rectifier bridge, or parallel to the bridge, or in series with a measuring device (microammeter) resistance with a negative temperature coefficient (Taranyuk V.A., Portable multi-limit combined devices. M., "Energy ", 1970, pp. 25-27, Fig. 16).

Известные способы компенсации температурной погрешности таких схем уменьшают ее до уровня порядка 1.5-2.0% на 10°С, что не всегда приемлемо.Known methods of compensating for the temperature error of such schemes reduce it to a level of the order of 1.5-2.0% by 10 ° C, which is not always acceptable.

Известны также вольтметры, использующие в качестве двухполупериодного выпрямителя полупроводниковые транзисторы, работающие в усилительном режиме (Волгин Л.И., Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М. «Сов. Радио», 1977, с.44-46, рис.2.17, 2-18).Voltmeters are also known that use amplifying mode semiconductor transistors as a half-wave rectifier (Volgin LI, Measuring converters of alternating voltage to DC. M. “Sov. Radio”, 1977, p. 44-46, fig. 2.17, 2-18).

Схемы, использующие усилительный режим транзисторов не решают задачи уменьшения температурной погрешности вольтметра, так как характеристики полупроводниковых транзисторов в значительной степени изменяются при изменении температуры окружающей среды.Circuits using the amplifying mode of transistors do not solve the problem of reducing the temperature error of a voltmeter, since the characteristics of semiconductor transistors change significantly with changing ambient temperature.

Наиболее близким к заявленному вольтметру является вольтметр, содержащий две пары транзисторов, в каждой паре один из транзисторов прямой проводимости (p-n-p), а другой - обратной (n-p-n). Эмиттеры транзисторов первой пары объединены и служат первым входом вольтметра, эмиттеры транзисторов второй пары также объединены и служат вторым входом вольтметра. Коллекторы транзисторов разных пар одной проводимости соединены друг с другом, к точкам их соединения подключен измерительный прибор, выполненный в виде вольтметра постоянного тока. Базы транзисторов первой пары через соответствующие резисторы подключены ко второму входу вольтметра, а базы транзисторов второй пары через соответствующие резисторы подключены к первому входу вольтметра, (см. Волгин Л.И., Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное, М., "Сов. Радио", 1977, стр.44-46, рис.2-19).Closest to the claimed voltmeter is a voltmeter containing two pairs of transistors, in each pair one of the transistors is direct conductivity (p-n-p), and the other is reverse (n-p-n). The emitters of the transistors of the first pair are combined and serve as the first input of the voltmeter, the emitters of the transistors of the second pair are also combined and serve as the second input of the voltmeter. The collectors of transistors of different pairs of the same conductivity are connected to each other, a measuring device made in the form of a DC voltmeter is connected to the points of their connection. The base of the transistors of the first pair through the corresponding resistors are connected to the second input of the voltmeter, and the base of the transistors of the second pair through the corresponding resistors are connected to the first input of the voltmeter, (see Volgin L.I., Measuring converters of alternating voltage to constant, M., Sov. Radio ", 1977, pp. 44-46, Fig. 2-19).

Недостатки прототипа состоят в следующем. В процессе работы вольтметра один из транзисторов в каждой из пар транзисторов открывается (на время одного полупериода измеряемого напряжения), а второй закрывается. Во время второго полуперида измеряемого напряжения второй транзистор каждой пары открывается, а первый - закрывается. При этом напряжение на электродах закрытых в данный момент транзисторов практически равно измеряемому напряжению, которое может быть десятки или даже сотни вольт. Вследствие высокого напряжения, приложенного к электродам транзисторов, токи утечки через электроды закрытых транзисторов (неуправляемые токи) достигают значительных величин, кроме того, эти токи зависят от температуры окружающей среды. Все это приводит к погрешности измерения, а также к зависимости показаний вольтметра от температуры окружающей среды.The disadvantages of the prototype are as follows. During the operation of the voltmeter, one of the transistors in each of the pairs of transistors opens (for the duration of one half-period of the measured voltage), and the second closes. During the second half-period of the measured voltage, the second transistor of each pair opens, and the first closes. In this case, the voltage at the electrodes of the transistors currently closed is almost equal to the measured voltage, which can be tens or even hundreds of volts. Due to the high voltage applied to the electrodes of the transistors, the leakage currents through the electrodes of closed transistors (uncontrolled currents) reach significant values, in addition, these currents depend on the ambient temperature. All this leads to measurement error, as well as to the dependence of the voltmeter readings on the ambient temperature.

Целью настоящего технического решения является повышение точности вольтметра в широком диапазоне температур окружающей среды.The purpose of this technical solution is to increase the accuracy of the voltmeter in a wide range of ambient temperatures.

Поставленная цель достигается тем, что вольтметр, содержащий два транзистора разного типа проводимости, эмиттеры которых объединены и служат первым входом вольтметра, измерительный прибор, включенный между коллекторами транзисторов, снабжен двумя резисторами, первые выводы которых подключены соответственно к выводам коллекторов транзисторов, вторые выводы резисторов соединены вместе и служат вторым входом вольтметра, базы транзисторов объединены и через дополнительный резистор соединены со вторым входом вольтметра, измерительный прибор выполнен в виде амперметра постоянного тока.This goal is achieved in that the voltmeter containing two transistors of different conductivity types, the emitters of which are combined and serve as the first input of the voltmeter, the measuring device connected between the collectors of the transistors is equipped with two resistors, the first conclusions of which are connected respectively to the terminals of the transistor collectors, the second conclusions of the resistors are connected together and serve as the second input of the voltmeter, the base of the transistors are combined and connected through an additional resistor to the second input of the voltmeter, measuring The instrument is designed as a DC ammeter.

Предложенное выполнение вольтметра позволяет повысить точность измерения в широком температурном диапазоне окружающей среды. Это связано с тем, что в вольтметре транзисторы как в открытом состоянии, так и в закрытом состоянии, работают при низких напряжениях, независимо от величины измеряемого сигнала. Это приводит к уменьшению токов утечки через электроды транзисторов, а также к уменьшению зависимости показаний вольтметра от температуры.The proposed implementation of the voltmeter allows to increase the measurement accuracy in a wide temperature range of the environment. This is due to the fact that in a voltmeter, transistors both in the open state and in the closed state operate at low voltages, regardless of the magnitude of the measured signal. This leads to a decrease in leakage currents through the electrodes of transistors, as well as to a decrease in the dependence of the voltmeter readings on temperature.

На фиг.1 показана схема предложенного вольтметра.Figure 1 shows a diagram of the proposed voltmeter.

На фиг.2 показан вариант выполнения предложенного вольтметра, в котором транзисторы используются в инверсном включении.Figure 2 shows an embodiment of the proposed voltmeter, in which transistors are used in inverse switching.

Вольтметр содержит транзисторы 1 и 2 (см. фиг.1) разной проводимости (один типа p-n-p, второй - n-p-n), клемму 3, служащую первым входом вольтметра, резисторы 4 и 5, вспомогательный резистор 6, амперметр 7, клемму 8, служащую вторым входом вольтметра. Коллекторы транзисторов 1 и 2 подключены соответственно с выводами резисторов 4 и 5. Вторые выводы резисторов 4 и 5 соединены между собой и подключены к клемме 8, которая служит вторым входом вольтметра. Базы транзисторов 1 и 2 соединены между собой и через вспомогательный резистор 6 подключены к клемме 8. Эмиттеры транзисторов 1 и 2 объединены и подключены к клемме 3 вольтметра. Амперметр 7 включен между коллекторами транзисторов 1 и 2.The voltmeter contains transistors 1 and 2 (see Fig. 1) of different conductivity (one type is pnp, the second is npn), terminal 3, which serves as the first input of the voltmeter, resistors 4 and 5, auxiliary resistor 6, ammeter 7, terminal 8, which serves as the second voltmeter input. The collectors of transistors 1 and 2 are connected respectively to the terminals of resistors 4 and 5. The second terminals of resistors 4 and 5 are interconnected and connected to terminal 8, which serves as the second input of the voltmeter. The base of transistors 1 and 2 are interconnected and through an auxiliary resistor 6 are connected to terminal 8. The emitters of transistors 1 and 2 are combined and connected to terminal 3 of the voltmeter. Ammeter 7 is connected between the collectors of transistors 1 and 2.

При выполнении вольтметра согласно фиг.2 его схема отличается от схемы фиг.1 тем, что транзисторы 1 и 2 используются в так называемом инверсном включении, при котором функции коллектора транзистора выполняет его эмиттер, а функции эмиттера - его коллектор. В соответствии с этим, в схеме фиг.2 выводы эмиттеров транзисторов 1 и 2 подключены соответственно к выводам резисторов 4 и 5, а выводы коллекторов транзисторов 1 и 2 соединены между собой и подключены к входной клемме 3 вольтметра. Несмотря на то, что в этом этой схеме выводы эмиттеров и коллекторов транзисторов поменялись местами, схема фиг.2 по своей функции соответствует схеме фиг.1, так как в схеме фиг.2 эмиттер транзистора выполняет функции коллектора, а коллектор - функции эмиттера. Такое включение транзистора известно, при этом коэффициент усиления транзисторов уменьшается (что не имеет значения в данном случае, так как транзисторы используются в ключевом, а не в линейном режиме), но падение напряжения на переходе коллектор эмиттер открытого транзистора значительно уменьшается (до значений 1 мВ и менее).When performing the voltmeter according to Fig. 2, its circuit differs from the circuit of Fig. 1 in that the transistors 1 and 2 are used in the so-called inverse switching, in which the emitter acts as the collector of the transistor and its collector functions as the emitter. In accordance with this, in the circuit of figure 2, the terminals of the emitters of transistors 1 and 2 are connected respectively to the terminals of the resistors 4 and 5, and the terminals of the collectors of transistors 1 and 2 are connected to each other and connected to the input terminal 3 of the voltmeter. Despite the fact that in this circuit the conclusions of the emitters and collectors of the transistors are reversed, the circuit of Fig. 2 in its function corresponds to the circuit of Fig. 1, since in the circuit of Fig. 2 the emitter of the transistor acts as a collector, and the collector as an emitter. Such a turn-on of the transistor is known, while the gain of the transistors decreases (which does not matter in this case, since the transistors are used in the key, and not in the linear mode), but the voltage drop across the collector-emitter junction of the open transistor decreases significantly (to values of 1 mV and less).

В схемах согласно фиг.1 и фиг.2 используются стандартные полупроводниковые транзисторы и резисторы. В качестве амперметра 7 используется стандартный амперметр (микроамперметр, миллиамперметр) постоянного тока, например, магнитоэлектрической системы. Кроме того, в качестве амперметра может быть использован стандартный цифровой амперметр (микроамперметр, миллиамперметр) постоянного тока интегрирующего типа.In the circuits of FIG. 1 and FIG. 2, standard semiconductor transistors and resistors are used. As an ammeter 7, a standard ammeter (microammeter, milliammeter) of direct current, for example, a magnetoelectric system, is used. In addition, a standard digital ammeter (microammeter, milliammeter) of direct current of an integrating type can be used as an ammeter.

Вольтметр согласно фиг.1 работает следующим образом. Входной электрический сигнал в виде напряжения переменного тока, например, синусоидальной формы кривой поступает на входные клеммы 3 и 8 вольтметра. Во время действия положительной полуволны входного сигнала напряжение с клеммы 8 через резистор 6 поступает на базы транзисторов 1 и 2, эмиттеры которых присоединены к клемме 3. При этом под воздействием на переходы база-эмиттер положительной полуволны измеряемого сигнала транзистор 2 (n-p-n типа) открывается, а транзистор 1 (p-n-p типа) закрывается. Ток от клеммы 8 протекает через резистор 4, через амперметр 7, открытый транзистор 2 к клемме 3.The voltmeter according to figure 1 operates as follows. The input electrical signal in the form of an alternating current voltage, for example, a sinusoidal waveform, is fed to the input terminals 3 and 8 of the voltmeter. During the action of the positive half-wave of the input signal, the voltage from terminal 8 passes through the resistor 6 to the bases of transistors 1 and 2, the emitters of which are connected to terminal 3. In this case, under the influence of the base-emitter transitions of the positive half-wave of the measured signal, transistor 2 (npn type) opens, and transistor 1 (pnp type) closes. The current from terminal 8 flows through a resistor 4, through an ammeter 7, an open transistor 2 to terminal 3.

Во время действия отрицательной полуволны входного сигнала транзистор 1 открывается, а транзистор 2 - закрывается. Ток от клеммы 3 через открытый транзистор 1 протекает через амперметр 7, резистор 5 к клемме 8. Таким образом, ток через амперметр 7 протекает в одном направлении независимо от действующей полуволны (отрицательной или положительной) входного сигнала. Так как амперметр магнитоэлектрической системы (или цифровой амперметр интегрирующего типа) по принципу действия реагирует на среднее значение тока, то его показания пропорциональны средневыпрямленному значению входного сигнала.During the action of the negative half-wave of the input signal, transistor 1 opens, and transistor 2 closes. The current from terminal 3 through an open transistor 1 flows through ammeter 7, the resistor 5 to terminal 8. Thus, the current through ammeter 7 flows in one direction regardless of the active half-wave (negative or positive) of the input signal. Since the ammeter of the magnetoelectric system (or the integrating type digital ammeter) reacts to the average current value by the principle of operation, its readings are proportional to the average rectified value of the input signal.

При выполнении вольтметра согласно фиг.2 он работает так, как описано выше. Отличие состоит лишь в том, что транзисторы 1 и 2 включены в инверсном режиме. Как известно, этот режим характеризуется тем, что при работе в ключевом режиме остаточное напряжение на переходе эмиттер-коллектор открытого транзистора составляет менее 1 мВ. Это позволяет еще более повысить точность измерения и температурную стабильность вольтметра.When performing the voltmeter according to figure 2, it works as described above. The only difference is that transistors 1 and 2 are turned on in inverse mode. As you know, this mode is characterized by the fact that when operating in the key mode, the residual voltage at the emitter-collector junction of the open transistor is less than 1 mV. This allows you to further improve the measurement accuracy and temperature stability of the voltmeter.

Преимущества предложенного вольтметра в сравнении с прототипом состоят в следующем.The advantages of the proposed voltmeter in comparison with the prototype are as follows.

В прототипе нагрузка (измерительный прибор) включена между коллекторами двух пар транзисторов, которые в процессе работы поочередно замыкаются (открываются) - по одному транзистору в каждой из пар. При этом измерительный прибор оказывается подключенным непосредственно к входным клеммам вольтметра. Таким образом, в качестве измерительного прибора в прототипе необходимо применять прибор с большим внутренним сопротивлением, т.е. вольтметр постоянного тока. Амперметр принципиально нельзя использовать в схеме прототипа, так как в этом случае ток в цепи ничем не ограничивается, и транзисторы будут выведены из строя.In the prototype, a load (measuring device) is connected between the collectors of two pairs of transistors, which in the process of operation are alternately closed (open) - one transistor in each of the pairs. In this case, the measuring device is connected directly to the input terminals of the voltmeter. Thus, as a measuring device in the prototype, it is necessary to use a device with a large internal resistance, i.e. DC voltmeter. An ammeter cannot be used in principle in the prototype circuit, since in this case the current in the circuit is not limited by anything, and the transistors will be disabled.

Указанная особенность схемы прототипа приводит к следующим недостаткам. Измеряемое напряжение (десятки или даже сотни вольт) оказывается приложенным к электродам тех двух транзисторов, которые в данный момент времени закрыты. Высокое напряжение, приложенное к переходам коллектор-эмиттер и база-эмиттер закрытых транзисторов вызывает и повышенный ток утечки через эти переходы, величина которого зависит в значительной степени от температуры окружающей среды. Это приводит к погрешности прототипа, которая изменяется в функции температуры.The specified feature of the prototype circuit leads to the following disadvantages. The measured voltage (tens or even hundreds of volts) is applied to the electrodes of those two transistors that are currently closed. The high voltage applied to the collector-emitter and base-emitter junctions of closed transistors also causes an increased leakage current through these junctions, the magnitude of which depends largely on the ambient temperature. This leads to the error of the prototype, which varies in function of temperature.

В предложенном вольтметре напряжение на переходе коллектор-эмиттер закрытого транзистора равно падению напряжения на амперметре (обычно несколько десятков милливольт) плюс падению напряжения на открытом транзисторе (несколько милливольт). Напряжение на переходе база-эмиттер закрытого транзистора (вследствие объединения базовых электродов двух транзисторов и эмиттерных переходов этих транзисторов) равно напряжению на переходе база-эмиттер открытого транзистора (порядка 0.7 В для кремниевого транзистора). Таким образом, в предложенном вольтметре транзисторы, как в открытом состоянии, так и в закрытом состоянии, работают при низких напряжениях, независимо от величины измеряемого сигнала. Это приводит к уменьшению токов утечки через электроды транзисторов, а также к уменьшению зависимости показаний вольтметра от температуры.In the proposed voltmeter, the voltage at the collector-emitter junction of the closed transistor is equal to the voltage drop across the ammeter (usually several tens of millivolts) plus the voltage drop across the open transistor (several millivolts). The voltage at the base-emitter junction of the closed transistor (due to the combination of the base electrodes of the two transistors and the emitter junctions of these transistors) is equal to the voltage at the base-emitter junction of the open transistor (about 0.7 V for a silicon transistor). Thus, in the proposed voltmeter, transistors, both in the open state and in the closed state, operate at low voltages, regardless of the magnitude of the measured signal. This leads to a decrease in leakage currents through the electrodes of transistors, as well as to a decrease in the dependence of the voltmeter readings on temperature.

Использование транзисторов в инверсном включении позволяет уменьшить остаточное напряжение на открытом транзисторе до значений менее одного милливольта, что в еще большей степени позволяет повысить точность и температурную стабильность вольтметра.The use of transistors in inverse switching reduces the residual voltage on the open transistor to values less than one millivolt, which further improves the accuracy and temperature stability of the voltmeter.

На практике реализация предложенной схемы позволила получить погрешность измерения напряжения переменного тока менее 0.1% в диапазоне сигналов от 0 до 600 В, температурную погрешность менее 0.1%/10°С, что ранее было недостижимо для известных аналогичных схем.In practice, the implementation of the proposed circuit made it possible to obtain an error in measuring AC voltage of less than 0.1% in the signal range from 0 to 600 V, a temperature error of less than 0.1% / 10 ° C, which was previously unattainable for known similar circuits.

Claims

A voltmeter containing two transistors of different conductivity types, the emitters of which are combined and serve as the first input of the voltmeter, a measuring device connected between the collectors of transistors, characterized in that, in order to improve accuracy and temperature stability, it is equipped with two resistors, the first terminals of which are connected respectively to the terminals of the collectors of transistors, the second terminals of the resistors are connected together and serve as the second input of the voltmeter, the base of the transistors are combined and connected through an additional resistor the second input of the voltmeter, the measuring device is designed as a DC ammeter.