Широкополосные индуктивные делители напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 270 1973

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ

НАПРЯЖЕНИЯ

А. И. КРАМНЮК, М. С. РОЙТМАН

(Представлена научным семинаром кафедры радиотехники)

На основании работы [1] можно сформулировать требования, которые должны удовлетворяться при проектировании широкополосных индуктивных делителей (ИД),

Во-первых, необходимо обеспечить равенство эквивалентных емкостей, приведенных к отдельным обмоткам. Причем это условие желательно выполнить без применения дополнительных корректирующих емкостей.

Во-вторых, значения приведенных емкостей должны быть по возможности минимальными, чтобы не наблюдалось резкого снижения входного сопротивления декады на верхних частотах.

Одним из эффективных решений поставленной задачи является предложенная нами лестничная намотка делителей [2, 3].

Суть ее сводится к следующему.

Предположим, что на одном сердечнике намотано несколько секций, имеющих строго одинаковое количество витков. Причем каждая секция выполнена жгутом, состоящим из нескольких равномерно скрученных проводов, которые образуют отдельные обмотки, включенные согласно и последовательно*). Так как отдельные секции выполнены жгутами, то они представляют уже известные делители и рассмотрены з [1]. Для них можно записать значения емкостей у каждой отдельной обмотке в виде

Сэкв, = Кг С212',

Сэкв3 — Сг/г;

Сэкв;[ = С212,

где Сэкв,» Сэкв,, СЭКВ[—значения емкостей, приведенных к первой, второй и третьей обмотке каждой секции; Су2 —значение распределенной емкости между двумя проводами; /Сь К2 — коэффициенты пересчета [1]. Аналогичные соотношения можно записать и для других секций, расположенных на этом же сердечнике.

Далее, сдвинув выводы каждой последующей секции относительно предыдущей на одну обмотку и соединив все выводы, оказавшиеся на

*) Для упрощения ограничимся жгутами, выполненными из трех проводов. Однако приведенные рассуждения справедливы для делителей, у которых жгуты выполнены в принципе из любого количества проводов.

3. тпи, т. 270.

33

одной линии (рис. 1), получим схему, для которой суммарные значения емкостей отдельных обмоток определятся соотношениями:

Сзкв, — С2 2;

Сэкв, = К2 С2,2 ~Ь С212 ;

Сзквз ™ К\ С2/2 + К2 С 2:2 Сг;2;

СЭкв4 = К\ С'2!2 + С2/2 -(- с2/2 ; ( 1 )

Сэкв5 Л*! С¿¡2 ~г С2/2 +----

СЭКрв Кг С2/2 + ....

Сэкв7..............

Как видно из (1), суммарные значения емкостей у обмоток, начиная с третьей, равны между собой. Таким образом, выполнено необходимое условие обеспечения широкополосности ИД — достигнуто равенство эквивалентных емкостей, приведенных к отдельным обмоткам, причем без применения корректирующих емкостей. При таком построении делителей одновременно сохраняется высокая точность деления благодаря гальванической связи между отдельными обмотками.

Аналогичным образом можно выполнить делители, используя жгуты, состоящие из двух, четырех, пяти и т. д. проводов. Применение жгутов, состоящих более чем из двух проводов, позволяет в некоторой степени уменьшить погрешность ИД, но возникающие при этом технологические трудности, а также резкое увеличение входной емкости сводят на нет достигаемый эффект. Поэтому для практического применения наиболее приемлемыми оказываются делители, выполненные жгутом из двух проводов (рис. 2). Причем крайние выводы у них не исполь-

I

Рис. 1 Рис. 2

зуются, так как эквивалентные емкости, приведенные к крайним обмоткам, не равны емкостям, приведенным ко всем остальным обмоткам.

При использовании лестничного типа намотки довольно легко получить делители, имеющие любое необходимое количество градаций выходного напряжения путем увеличения или уменьшения числа секций.

Но даже при применении лестничного типа намотки в реальных делителях значения емкостей, шунтирующих отдельные обмотки, неточно равны между собой. Это вызвано наличем паразитных емкостей относительно экрана и магнитопровода, а также имеются паразитные емкости между отдельными обмотками, т. е. в какой-то мере присутствует эффект, характерный для известного способа намотки делителей. И для получения ИД с высокими метрологическими характеристиками приходится применять дополнительные корректирующие емкости. Ввиду значительной трудности определения различных паразитных емкостей ниже приводится расчет-но-экспериментальный метод коррекции ИД.

Эквивалентные емкости, шунтирующие отдельные обмотки делителя, можно представить суммой двух емкостей С0 — постоянной для всех обмоток и равной минимальному значению емкости, имеющейся в данной системе, и С\—С10 — учитывающие превышение емкости, шунтирующей данную обмотку, над С0 Так как С0 подключена к каждой обмотке и на частотную погрешность не оказывает влияния, то ее можно не учитывать. Представляют интерес только значения Сх—С\0 (рис. 3).

Путем сличения исследуемого делителя с образцовым можно экспериментально подобрать для каждого из отводов корректирующую емкость, полностью компенсирующую частотную погрешность. На рис. 3

показано подключение такой емкости для отвода 0,1—С0{ и 0,4 (пунктиром) — С04. Если декада помещена в экран и нагружена на соответствующую нагрузку, то при подборе корректирующих емкостей указанные факторц учтутся автоматически.

Для обеспечения частотонезависимости напряжения на выводе 0,1 необходимо выполнение условия

Рис. 3.

Для вывода 0,2

ю

V ск

х? 2

— Сх + С{,\.

10 2 V У С к

к—3 к^ 1

8 2 Для остальных выводов аналогично

+ 2 С

02-

10

V Ск

2 с*

к~ 1

+ 3 с

оз>

10 4

6 ~ 4 +4Со"

10 5

= + 5С0з; (2)

5 5

10 б

= + 6С0„; 4 6

10 7

2 с* V ск

■к=8 _ к=1 ■

3 7 '

10 8

л-=9 к—1 , 0/">

С!0 л:=1

У! Ск

+ 9 С0о.

1 9

После преобразования система приводится к виду = С,1- 1,8 Сс, — 3,2 СГа;

с:! = С, + 0,9Со, +3,2 Со, — 6,3 С0з; С4 = С, + 0,9 Со, + 6,ЗС0з - 9,6С01; С5 = С, + 0,9СГ, + 9,6С0, - 12,5С05; С6 = С, +'0,9СО1 + 12,5Сс5 - 14,4 С0в; (3)

С7 = С, + 0.9Сг, 4- 14,4Со5 - 14,7С0,; С8 = С, + 0,9Сс, + 14,7Со7 - 12,8Со,; ■С9 = С1 + 0,9Со1 + 12,8Со8 - 8,1Сс.; С10= С, +0,9СО1 + 8,1С(,.

В процессе подбора корректирующих емкостей возможен вариант, когда указанную емкость необходимо подключить к потенциальному выводу С0, (рис. 3). Нетрудно показать, что значение С„;, необходимое для (3), определится из выражения

10 - п,

Соп• - СоП[

и для приведенного примера

С --С' 1

Так как в системе (3) число уравнений меньше числа неизвестных, С\ принимается такой величины, чтобы значения С2—С10 были положительны и имели минимальное значение. Величины корректирующих емкостей выбирают такими, чтобы она в сумме с соответствующей ем-36

костью декады равнялась емкости, имеющей максимальную величину (из числа СI -г- С*ю) -

С помощью корректирующих элементов имеется возможность устранить влияние таких факторов, как наличие межобмоточной емкости (С 2/2 ), емкости относительно магнитопровода (См), ослабить влияние собственной емкости относительно экрана и входной емкости последующей декады. В то же время основную роль играет наличие СН1 (емкость нагрузки), для которй компенсация достигается только у декад, которые одним концом подключены к общему прозоду. Для остальных, декад применяемые схемы почти не оказывают влияния. Для обеспечения частотонезависимости ИД при любых значениях коэффициента деления потребовалось бы очень большое количество корректирующих элементов. Так, для пятидекадного делителя их число достигает 105, что, естественно, практически неосуществимо. Нужны новые решения, позволяющие успешно справиться с поставленной задачей. Ниже рассматриваются ИД, предложенные авторами, в которых резко снижено влияние С н/ для всех декад и при любых коэффициентах деления [4].

На рис. 4 приведена схема одной декады, работающая на емкостную нагрузку С н/ . При этом влияние нагрузки было бы устранено, если выполнить условие, что ток в цепи а—а' равен 0.

Для этого необходимо потенциал точки а сделать равным потенциалу точки а'. Потенциалы указанных точек можно выравнивать, если

точку а через емкость, равную по значению Сн1, подключить к источнику эдс, величина которой равна 2¿/вмх, и находящемуся в фазе с выходным напряжением. Ток в цепи а—а' равен нулю и Сн/ не будет нагружать декаду, т. е. происходит нейтрализация емкости нагрузки.

Источник с удвоенным значением выходного напряжения можно получить, используя дополнительный делитель (рис. 5), у которого входное напряжение подключено не ко всей обмотке, а только к ее половине*). Если декады делителей будут переключаться синхронно, т. е. одним переключателем, выходное напряжение с дополнительного дели-

*) Входное напряжение на дополнительный делитель можно подавать не на половину обмотки (п Ло11= 5), а на любой выход. При этом величина компенсирующей емкости С определится из выражения

и для рассмотренного случая (яД0П = 5) С = Си1

а

Рис. 4

теля всегда будет в два раза больше выходного напряжения основного делителя.

Для устранения паразитных емкостей у многодекадных делителей необходимо иметь дополнительный делитель с таким же количеством декад, как и у основного (рис. 5). При этом дополнительные емкости подключаются между «земляными» выводами соответствующих декад, кроме первых, и между выходными зажимами обоих делителей. Они выбираются следующим образом: емкость, включенная между выходными зажимами (С), равна емкости нагрузки делителя; емкости, включенные между декадами (Сь С2, С3 по значению равны емкости соответствующих декад основного делителя относительно экрана.

Применение рассмотренных принципов построения ИД позволило создать делитель со следующими техническими характеристиками:

Рис. 5

1. Диапазон рабочих частот 20 гц -г- 200 кгц.

2. Коэффициент деления от 1 до 105.

3. Количество декад прибора равно 5 с дискретностью в декадах

ю-1, 10-2, ю-3, Ю-4, ю-5.

4. Основная погрешность коэффициента деления на частоте 1 кгц, при активной нагрузке (/?н ) более 1 мгом и емкости нагрузки от 0 до

50 пф не должна превышать значения: 10—5 -н 2-10~6 К, где К ~

(коэффициент деления).

5. Основная погрешность коэффициента деления (о2) при /?н> 1 мгом и Сн от 0 до 50 пф не превышает значений:

а) в диапазоне частот 1 кгц -г- 200 кгц о3 = ох + о/} где В — значение основной погрешности на частоте 1 кгц,

ог — определяется из выражения

о^ = 10~8 [(/— \ ) к + 5 (/— 1 )2],

где /— частота [к?ц\\

б) в диапазоне частот 20 гц~ 1 кгц определяется из выражения

З3 = + 6-10-Ч1 -/кгц)2.

6. Основная погрешность коэффициента деления при емкости нагрузки от 0 до 20Э пф соответствует пунктам 4,5 при условии подключения внешних корректирующих емкостей.

38

7. Максимально допустимое входное напряжение (эффективное

значение) не менее , но не более 100 в.

4

8. Максимальное значение фазового сдвига во всем диапазоне частот определяется из выражения (расчетное значение)

Д?мах = 0,1° + оМ0-5-*.

9. Коэффициент нелинейных искажений при максимально допустимом значении входного напряжения определяется из выражения

=0,015 ЯДож],

где /^. — значение выходного сопротивления источника сигнала.

10. Напряжение прямого прохождения во всем диапазоне частот не превышает значения

¿/прокМ = 2-ю -6.г/вх[*].

11. Модуль входного сопротивления в диапазоне частот 20 гц ч--т-100 кгц не менее 1 ком, в диапазоне 100ч-200 кгц—не менее 500 ом.

12. Максимальное значение активного выходного сопротивления во всем диапазоне частот не превышает 5 ом.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. Крамнюк, М. С. Р о й т м а н. Расширение рабочего диапазона индуктивных делителей. Изд-во ТГУ, Томск, Изв. ТПИ, т. 231, 1971.

2. «Образцовые источники переменных напряжений». Отчет по НИР «Веретено», НИР «Витамин», депонированная рукопись. Гос. регистр. № 68021571, № 68021579.

3. А. И. Крамнюк. Широкополосный индуктивный делитель. Решение о выдаче авторского свидетельства по заявке № 1299427/26-9 от 22 января 1969.

4. А. И. Крамнюк. Широкополосный индуктивный делитель напряжения Авт. свид., № 322723. Бюл. изобр., № 36, 1971.