устройство для измерения напряжения

Формула изобретения

Устройство для измерения напряжения, содержащее трансформатор, генератор напряжения, выпрямитель, операционный усилитель, первый, второй и третий резистор, конденсатор, причем вторичная обмотка трансформатора подключена к входам выпрямителя, выходы которого соединены с цепями питания операционного усилителя и обкладками конденсатора, второй вывод первого резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего резистора, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен измерительный прибор, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора и генератором напряжения, а выход операционного усилителя соединен с общей точкой соединения второго и третьего резистора, второй вывод третьего резистора соединен с выходом выпрямителя, при этом входом устройства является первый вывод первого резистора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения постоянного напряжения.

Известно устройство для измерения напряжения и тока, содержащее трансформатор, операционный усилитель, резисторы, диоды и конденсаторы (а.с. СССР N 1647426, кл. G 01 R 19/00).

Известное устройство пригодно только для измерения переменных напряжений и токов.

Наиболее близким по техническому решению является устройство, содержащее трансформатор, генератор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый и второй диоды, первый, второй и третий конденсаторы и операционный усилитель (а.с. СССР N 1538138, кл. G 01 R 19/00).

Известное устройство пригодно только для измерения переменного тока.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей за счет измерения постоянного напряжения с гальванической развязкой.

В устройство, содержащее трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к выпрямителю на первом и втором диодах, выходы которых соединены с цепями питания операционного усилителя, первый резистор, соединенный вторым выводом с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего резистора, вместо первого и второго диодов введен выпрямитель, соединенный входами со вторичной обмоткой трансформатора, а выходами с цепями питания операционного усилителя и обкладками конденсатора, причем второй резистор подключен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, а третий резистор соединен вторым выводом с выпрямителем, дополнительно введены два резистора, соединенные первыми выводами между собой и с неинвертирующим входом операционного усилителя, а вторыми выводами с выходами выпрямителя, при этом дополнительно введен измерительный прибор, соединенный последовательно с генератором напряжения и первичной обмоткой трансформатора. При этом входом устройства является вывод первого резистора.

Блок-схема устройства приведена на чертеже.

Устройство содержит генератор напряжения 1, соединенный последовательно с измерительным прибором 2 и первичной обмоткой трансформатора напряжения 3, выпрямитель 4, подключенный входами ко вторичной обмотке трансформатора 3, конденсатор 5, подключенный обкладками к выходам выпрямителя 4, операционный усилитель 6, цепи питания которого подключены к выходам выпрямителя 4, первый резистор 7, первый вывод которого является входом устройства, а второй вывод соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 6, второй резистор 8, подключенный между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 8, третий резистор 9, подключенный между выходом операционного усилителя и выводом выпрямителя 4, резисторы 10 и 11, соединенные первыми выводами с неинвертирующим входом операционного усилителя, а вторыми выводами подключенные к выпрямителю 4.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 формирует напряжение, которое подается на первичную обмотку трансформатора 3 и трансформируется в его вторичную обмотку. Напряжение со вторичной обмотки трансформатора 3 подается на выпрямитель 4. Постоянное напряжение, получающееся после фильтрации на конденсаторе 5 с выхода выпрямителя 4, подается на цепи питания операционного усилителя 6. Измеряемое напряжение U_x в схеме на операционном усилителе 6 в напряжение на нагрузке, образованной резистором 9,

U_н=I_нR_н (1),

где U_н напряжение на нагрузке;

I_н ток нагрузки.

U_н=U_п-U_вых (2),

где U_n напряжение питания операционного усилителя;

U_вых напряжение на выходе операционного усилителя.

Учитывая, что I_н (U_x U_a)/R₁ (3),

где I_н входной ток;

U_a напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя;

и U_x=I_x(R₁+R₂)+U_вых (4),

из (4) получаем

U_вых -U_xR₂/R₁ + U_a(1 + R₂/R₁) (5).

Подставив (5) в (2), получаем

U_н U_n + U_xR₂/R₁ U_a(1 + R₂/R₁) (6).

Отсюда

U_н U_xR₂/R₁ + U_n[(R₁R₃ R₂R₄)R₁(R₃ + R₄)] (7).

И окончательно из (1) и (7) получаем

I_н U_xR₂/(R₁R_н) + U_n[(R₁R₃ R₂R₄)/R₁R_н (R₃ + R₄)]

При выполнении условия R₁R₃ R₂R₄ получаем I_н U_xR₂/(R₁R_н).

Следовательно, величина тока, потребляемая схемой на операционном усилителе 6, пропорциональна U_вх. Ток, протекающий через измерительный прибор 2, равен току, потребляемому схемой на операционном усилителе. Следовательно, ток через измерительный прибор 2 прямо пропорционален измеряемому напряжению U_вх.

Устройство для измерения напряжения было реализовано на базе микромощного операционного усилителя, для увеличения нагрузочной способности которого нагрузка подключалась через транзисторный усилитель мощности. Трансформатор реализован на ферритовом кольцевом магнитопроводе марки М2000 НМ. Экспериментальные исследования схемы проводились при напряжении питания операционного усилителя 15 В и частоте работы генератора от 20 до 60 кГц. Как следует из экспериментальных результатов, погрешность при измерении постоянного напряжения в диапазоне от -3 до +12 В не превышает 0,4%