Учебное пособие 800516

УДК 621.317.7

А. Н. Калабухов

РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

В статье представлена разработка универсального омметра, позволяющего измерять сопротивление практически любых резисторов, обмоток трансформаторов и дросселей, шунтов, проводов и кабелей.

Ключевые слова: сопротивление, омметр, прибор, измерение, предел измерения.

Измерители электрического сопротивления (омметры) являются одним из основных видов электроизмерительных приборов. Существует два основных типа омметров. Первый тип представляет собой схему, в которой используется источник напряжения и эталонный резистор, на котором измеряется падение напряжения, а также измеряемый резистор. Все эти элементы соединяются последовательно. Такая схема проста и способна измерять практически во всём диапазоне сопротивлений, необходимом для радиолюбителя. Основной недостаток этой схемы – нелинейная зависимость напряжения от измеряемого сопротивления, что требует использования нелинейной шкалы стрелочных приборов и, как следствие, к сложности оцифровки шкал в аналоговых и цифровых приборах. Это снижает точность измерения.

Второй тип омметров состоит из калиброванного источника стабилизированного тока, милливольтметра и измеряемого резистора. Эти элементы в омметре соединены параллельно. В этой схеме сила тока не зависит от величины измеряемого сопротивления, поэтому падение напряжения на измеряемой цепи пропорционально её сопротивлению. Во избежание выхода прибора из строя устанавливают ограничитель напряжения, чтобы оно не превышало предельно допустимое значение при разомкнутых измерительных щупах. Стрелочные приборы, собранные по такой схеме, имеют линейную шкалу, а в цифровых приборах легко осуществляется оцифровка сигнала. Благодаря этому данные приборы имеют весьма высокую точность. Однако такие омметры не могут измерять большие сопротивления, так как сказывается шунтирующее действие внутреннего сопротивления

162

милливольтметра на измеряемую цепь. Тем не менее, использование усилителей и современной элементной базы позволяет расширить пределы измерения до десятков мегаом.

Универсальный измеритель сопротивления, разработанный в рамках работы СНО кафедры физики, радиотехники и электроники (рис. 1), имеет пределы измерений от 400 мкОм до 100 МОм. Минимальная цена деления 2 мкОм, погрешность на всех пределах измерения менее 1 %. Благодаря четырёхконтактной схеме щупов в приборе можно раздельно использовать милливольтметр и источник тока.

Рис. 1. Внешний вид универсального измерителя электрического сопротивления

Прибор можно использовать в качестве милливольтметра с погрешностью менее 1 % и с пределами измерения от 1 мВ до 5 В. Прибор также можно использовать в качестве генератора стабильного тока, поскольку на разных пределах измерения указана своя сила испытательного тока. Погрешность стабилизатора тока также менее 1 %. Величина измерительного тока лежит в пределах от 2,5 А до 0,05 мкА.

Принципиальная схема прибора представлена на рис. 2. Контакты 1 и 2 щупа соединяются через один конец цепи, а контакты 3 и 4 – через другой конец. Таким образом, организуется подключение милливольтметра и источника тока через раздельные контакты, например, с помощью щупов Кельвина, что исключает влияние их переходного сопротивления на результаты измерений. При использовании прибора в качестве милливольтметра контакт 4 отключается. При использовании

163

в качестве источника измерительного тока задействуются только контакты 1 и 4. Прибор питается от двухполярного напряжения, которое присутствует в компьютерных блоках питания. Они также обеспечивают необходимый ток, который достигает значительной величины при измерениях очень малых сопротивлений.

Рис. 2. Схема электрическая универсального омметра

В данной схеме источник тока собран на полевом транзисторе IRF9530 P-MOS (M1), который регулирует измерительный ток, и на микросхеме X1, сравнивающей напряжение на датчике тока R6 с опорным напряжением на стабилизаторе X3. Усилитель для милливольтметра собран на микросхеме X2. Цепь отрицательной обратной связи R1, R2 определяет коэффициент усиления.

Конденсатор C1 уменьшает усиление милливольтметра по переменному току, что снижает чувствительность к электромагнитным помехам. Конденсатор C2 демпфирует рамку измерительной головки во избежание резких рывков стрелки. Конденсаторы C3 C6 защищают от помех и самовозбуждения в разных участках схемы. Сглаживающие фильтры по питанию выполнены в виде звеньев C7L2, C8L1. Значения резистора R2 переключаются согласно пределам измерения, с их помощью калибруется коэффициент усиления милливольтметра. Резисторы R3, R4 подбираются так, чтобы стрелка измерительной головки полностью отклонялась при напряжении 5В на выходе усилителя X2. Сопротивление этих резисторов намного больше

164

сопротивления магнитоэлектрической рамки, что обеспечивает температурную стабильность схемы. Величина резистора R6 переключается на разных пределах измерения, от неё зависит сила испытательного тока в измеряемой цепи. Резистор R7 задаёт величину опорного напряжения, которое должно быть около 5 В. Этот резистор нужно настраивать, в первую очередь, после сборки схемы.

Шаг между пределами измерения выбран небольшим для удобства и повышения точности измерений (рис. 3).

Рис. 3. Пределы измерения универсального омметра

Таким образом, разработанный универсальный омметр позволяет измерять сопротивление практически любых резисторов, обмоток трансформаторов и дросселей, шунтов, проводов и кабелей. Кроме того, омметр способен обнаруживать переход металлов в сверхпроводящее состояние, измерять сопротивление канала мощных полевых транзисторов, переходное сопротивление контактов выключателей и иных коммутирующих устройств. А зная сечение провода и его длину, можно сравнить его сопротивление с расчётным и косвенно судить о наличии примесей в проводнике. Данный метод позволяет обнаружить поддельные провода, в которых медь заменена на омеднённый алюминий.

Литература

1. Аналоговые электроизмерительные приборы: учебное пособие для вузов / Е. Г. Бишард, Е. А. Киселева, Г. П. Лебедев [и др.]. – 2 изд. – М.: Высшая школа, 1991. – 415 с.

Елецкий государственный университет им. И. А. Бунина

165

УДК 62-83:621.313.3

А. Ю. Перцев, В. О. Беляков, А. К. Муконин

ВЕНТИЛЬНЫЕ КОММУТАТОРЫ ДЛЯ ПРИВОДОВ С ОДНОПОЛЯРНЫМИ ФАЗНЫМИ ТОКАМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Рассматриваются схемы транзисторных коммутаторов для питания фазных обмоток двигателей однополярными токами заданной формы. Схемы могут быть использованы в шаговых электроприводах и частотных приводах с асинхронными и синхронными двигателями.

Ключевые слова: вентильный коммутатор, шаговый двигатель, шаговый электропривод, частотно-регулируемый электропривод.

Вряде электроприводов применяется вентильные

коммутаторы (ВК) с однополярными выходными токами. К примеру, в вентильно-индукторных приводах используется однополярное питание фаз электродвигателя [1]. Многие шаговые электродвигатели (ШД) рассчитаны на питание однополярными токами. За счет формирования однополярных фазных токов трехфазного электродвигателя можно существенно упростить частотно-регулируемый электропривод и повысить его надежность

[2].

Создание токов заданной формы обеспечивается при питании нагрузки от регулируемого источника тока (РИТ). Упомянутый

РИТ реализуется в виде замкнутой импульсной или релейной системы формирования тока с обратной связью по току. Очевидно, что в таких системах необходимо использование измерителей тока

В современных ИТ гальваническая развязка обычно реализуется за счет использования эффекта Холла, однако такие измерители достаточно дороги. Применение измерительных шунтов во многих случаях затруднено.

Для плавного вращения четырехфазного ШД его можно питать однополярными токами в виде четырех полусинусоид, графики которых представлены на рис. 1 [2].

166

привода. Для получения токов требуемой формы рассматриваемый ВК малопригоден хотя бы потому, что при направлении ЭДС нагрузки последовательно с ii нагрузка закорочена диодом VD1.

Вентильный коммутатор для питания одной фазы ШД однополярным током можно реализован за счет исключения из схемы однофазного мостового вентильного коммутатора двух транзисторов, расположенных диагонально. Такой ВК можно назвать однофазным полумостовым.

Схему ВК для питания двух обмоток управления z1, z2 четырехфазного ШД, образованную на базе двух полумостов, можно представить в виде рис. 3.

Рис. 3. Вентильный коммутатор для двух фаз нагрузки

Коммутатор можно использовать для создания однополярных токов i1, i3 в виде полусинусоид (см. рис. 1). Каждый полумост формирует соответствующую полусинусоиду. В зависимости от алгоритма управления транзисторными ключами шунты RS, измеряющие токи, можно включать в различные места схемы.

Вслучае двуполярной модуляции транзисторы полумоста

переключаются одновременно. Когда, например, включены VT1, VT2, к нагрузке приложено напряжение питания +Uп. Ток нагрузки i1 протекает через VT1, RS2, VT2, RS3, RS1. При выключении транзисторов ток i1 уменьшается, протекая через элементы RS1, VD1, RS2, VD2. При этом, напряжение нагрузки отрицательно.

Вэтом случае измерять ток можно с помощью одного шунта RS1. В случае соединения общего вывода системы управления

168

с отрицательным входом ВК напряжение шунта может подаваться на систему управления без применения элементов гальванической развязки. Некоторое неудобство применения RS1 обусловлено тем, что знак напряжения шунта определяется состоянием транзисторных ключей.

Использование шунтов RS2, RS2′ предполагает применение элементов потенциальной развязки.

В полумостовой схеме в можно использовать однополярную модуляцию. Когда ЭДС направлена встречно току i1, он создаётся при постоянно включённом VT2 за счет коммутации VT1 с высокой частотой. При отпирании VT1 ток i1 нарастает, протекая через VT1, RS2, VT2, RS3, RS1. При выключении VT1 ток уменьшается, протекая через элементы VD1, RS2, VT2, RS3.

Если знаки тока фазы и ЭДС совпадают, ток i1 создаётся при постоянно выключённом VT1 за счет коммутации VT2. При отпирании VT2 ток нарастает, протекая через VD1, RS2, VT2, RS3. Если VT1 выключен, ток протекает через RS1, VD1, RS2, VD2.

Для получения информации о токах можно использовать резисторы RS2, RS2′ или шунты RS1, RS3. В последнем случае можно исключить элементы потенциальной развязки при измерении токов.

Рассмотренный вариант ВК предполагает использование двух ключей для питания каждой фазы нагрузки. Уменьшить число ключей можно при использовании нулевых схем ВК. На рис. 4.

Рис. 4. Транзисторный коммутатор с минимальным числом вентилей

169

Схема включает источник напряжения со средней точкой, который выполнен с помощью выпрямителей В1, В2 и двух конденсаторов С1, С2. При формировании тока, например, i1 VT2 выключен, а VT1 коммутируется. Если VT1включен, ток i1 под действием напряжения, снимаемого с В1 нарастает, протекая через VT1, L1, RS1. Когда VT1 выключается, ток i1 протекает через элементы VD1, L1, RS1, С2.

Опасное увеличение напряжения на конденсаторе С2 отсутствует, так как вместе с формированием тока i1 протекает ток i4 или i2, соответственно С2 разряжается.

По сравнению с ВК на основе полумостов рассмотренная схема имеет вдвое меньшее число транзисторных ключей. Одним из недостатков схемы является применение источника напряжения со средней точкой и увеличенное напряжение на выключенном транзисторе

Когда общая точка системы управления соединена с общей точкой системы питания, отсутствует необходимость применения потенциальной развязки при измерении токов.

Если из анализируемой схемы исключить обмотку L4 и элементы VD4, VT4, получим ВК для создания однополярных токов в трехфазном двигателе.

Литература

1. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г. Г. Соколовский. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.

2. Муконин А. К. Частотные приводы с токовым управлением: монография / А. К. Муконин, А. И. Шиянов. – Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»,

2006. – 143 с.

Воронежский государственный технический университет

170