Измерение переменного тока и напряжения — Студопедия

В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока обычно требуется измерять некоторые их характеристики, связанные с мгновенными значениями сигнала. Чаще всего желательно знать среднеквадратические (эффективные) значения электрических величин переменного тока. Наряду с этим могут представлять интерес и другие величины, например максимальное или среднее абсолютное значение. Среднеквадратическое (эффективное) значение напряжения (или силы) переменного тока определяется как корень квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения (или силы тока): где Т – период сигнала U(t). Максимальное значение – это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение – абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний = 0,707и = 0,637. Почти все приборы для измерения напряжения и силы переменного тока показывают значение, которое предлагается рассматривать как эффективное значение входного сигнала. Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле измеряется среднее абсолютное или максимальное значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы показание соответствовало эквивалентному эффективному значению в предположении, что входной сигнал имеет синусоидальную форму. Точность таких приборов крайне низка, если сигнал не синусоидальный. Приборы, способные измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на одном из трех принципов: электронного умножения, дискретизации сигнала или теплового преобразования. Приборы, основанные на первых двух принципах, как правило, реагируют на напряжение, а тепловые электроизмерительные приборы – на ток. При использовании добавочных резисторов и шунтов такими приборами можно измерять ток и напряжение в достаточно широких пределах. Возведение в квадрат и усреднение по времени входного сигнала в некотором приближении осуществляются электронными схемами с усилителями и нелинейными элементами для выполнения таких математических операций, как нахождение логарифма и антилогарифма аналоговых сигналов. Приборы такого типа могут иметь погрешность порядка 0,009%. Сигнал переменного тока преобразуется в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Дискретизированные значения сигнала возводятся в квадрат, суммируются и делятся на число дискретных значений в одном периоде сигнала. Погрешность таких приборов составляет 0,01–0,1%. Для оценки величины переменного тока и напряжения используют понятия действующего, амплитудного и среднего значений. Для этой цели используют приборы различных систем, но при использовании приборов магнитоэлектрической системы требуется применение дополнительных преобразователей из переменного тока в постоянный. При измерении токов свыше 250…300 А амперметры электромеханической системы непосредственно в цепь не включаются из-за сильного влияния на показания приборов магнитного поля токоподводящих проводов и значительного нагрева шин. Расширение диапазона измеряемых токов и напряжений производится в основном при помощи измерительных трансформаторов. Для защиты приборов от внешних магнитных и электрических поле применяется экранирование. На переменном токе необходимо учитывать и частотную составляющую погрешности измерений. Наивысшую точность измерения эффективных значений напряжения и тока обеспечивают тепловые электроизмерительные приборы. В них используется тепловой преобразователь тока в виде небольшого откачанного стеклянного баллончика с нагревателем (длиной 0,5–1 см), к средней части которой прикреплен спай термопары в виде маленькой бусинки, обеспечивающей тепловой контакт и электроизоляцию термопары с токопроводом. При повышении температуры, пропорциональным эффективному значению тока в нагревателе, на выходе термопары возникает термо-ЭДС. Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц. На рис. показана принципиальная схема теплового электроизмерительного прибора с двумя подобранными по параметрам тепловыми преобразователями тока. При подаче на вход схемы напряжения переменного тока Vас на выходе термопары преобразователя ТС1 возникает напряжение постоянного тока, усилитель А создает постоянный ток в нагревательной проволочке преобразователя ТС2, при котором термопара выдает напряжение постоянного тока, затем прибор измеряет выходной постоянный ток.   Рис. Тепловой электроизмерительный прибор для измерения эффективных значений напряжения и силы переменного тока.   С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно превратить в вольтметр. Тепловые электроизмерительные приборы непосредственно измеряют токи от 2 до 500 мА, поэтому для измерения токов большей силы необходимо использовать резисторные шунты.

Читайте также: Методы измерения параметров электрической цепи Измерение нелинейных искажений Измерительные трансформаторы тока и напряжения Статистические измерительные системы Основные компоненты ИИС Вернуться в оглавление: Методы и средства измерений электрических величин



Упрощение сложных измерений с помощью источника-измерителя напряжения (SMU)✔

В статье показано, как двухканальные источники-измерители могут ускорить тестирование преобразователей постоянного тока и полевых транзисторов

В современных быстро развивающихся технологиях проектирования электронного оборудования сложность является реальным злом и должна избегаться любой ценой, в то время как простота олицетворяет собой все хорошее и правильное. Возможно это слишком сильно сказано, но когда речь заходит о контрольно-измерительных задачах, простота становится лучшим другом инженера, поскольку экономит ему время и снижает трудоёмкость, при этом позволяя получать более достоверные и точные результаты.

Одним из приборов, способным максимально упростить многие широко распространённые измерения, является источник-измеритель (SMU), объединяющий в себе функции источника напряжения и тока, цифрового мультиметра и электронной нагрузки. В результате получается измерительный прибор, более гибкий, чем каждый из входящих в его состав отдельных приборов, что упрощает схему измерения, сокращает число операций и, как следствие, снижает вероятность ошибки оператора.

Чтобы не тратить много времени на объяснения того, как SMU упрощает измерения, давайте рассмотрим конкретный пример. Для этого мы сначала покажем, как с помощью SMU упростить измерение параметров преобразователя постоянного тока, а потом рассмотрим методы упрощения тестирования полевого транзистора.

Как покажут эти примеры, работа с SMU требует меньшего числа операций и обеспечивает глубокое понимание результатов измерений.

Упрощение измерения параметров преобразователя постоянного тока

Как и для любых других устройств, параметры преобразователей постоянного тока необходимо измерять в процессе их производства, а также для оценки пригодности их применения в проектируемой схеме. В стремлении создать изделие с меньшим энергопотреблением, разработчики ищут способы повышения эффективности преобразования энергии. В ходе определения электрических характеристик преобразователя постоянного тока приходится измерять множество параметров, и в том числе следующие:

• нестабильность по входу
• нестабильность по нагрузке
• погрешность входного и выходного напряжения
• ток покоя
• КПД
• время включения
• пульсации
• динамические характеристики

Обычно измерение электрических характеристик преобразователей постоянного тока включает подачу и измерение входного напряжения (Vвх), измерение входного тока (Iвх), выходного напряжения (Vвых) и выходного тока (Iвых) на определённой нагрузке.

По результатам этих измерений можно узнать КПД и другие параметры преобразователя. КПД является одним из важнейших показателей, особенно для устройств с автономным питанием, поскольку от него непосредственно зависит время работы устройства от батареи.

Традиционно для выполнения таких измерений используют пару цифровых мультиметров, источник питания и электронную нагрузку. Однако измерение параметров преобразователей постоянного тока можно упростить, заменив все эти приборы одним двухканальным SMU. SMU очень удобны для измерения вольт-амперных характеристик преобразователей постоянного тока, поскольку они могут подавать и измерять как ток, так и напряжение, а также могут выступать в роли электронной нагрузки. Обратите внимание, что для измерения всех параметров преобразователя постоянного тока, кроме SMU, обеспечивающего входное напряжение и ток нагрузки, понадобится ещё и осциллограф.

Применение одного прибора вместо нескольких упрощает схему измерения, программирование и синхронизацию, а также экономит место в стойке или в испытательном стенде. Как показано на рисунке 1, подключение одного канала SMU (канал 1) к входным контактам и второго канала SMU (к. 2) к выходным контактам преобразователя постоянного тока заменяет несколько измерительных приборов.

Рисунок 1. Подключение одного канала SMU к входным контактам и другого канала к выходным контактам преобразователя заменяет несколько приборов.

1. SMU канал 1: подача напряжения, измерение тока, измерение напряжения
2. Vвх
3. Преобразователь постоянного тока
4. Vвых
5. SMU канал 2: потребление тока (нагрузка), измерение тока, измерение напряжения

Измерение параметров преобразователя постоянного тока включает регистрацию многих электрических величин. Но мы сосредоточимся на нестабильности по нагрузке и по входу, поскольку эти измерения являются самыми распространёнными.

Нестабильность по нагрузке

Нестабильность по нагрузке характеризует способность преобразователя постоянного тока поддерживать заданное выходное напряжение при изменении тока нагрузки (Iнагр) при постоянном входном напряжении Vвх. Обычно этот параметр измеряется во всём диапазоне токов нагрузки.

На рисунке 2 показана типовая схема измерения нестабильности по нагрузке с помощью двух каналов SMU. Канал 1 SMU подаёт входное напряжение и измеряет входной ток. Канал 2 SMU работает в режиме электронной нагрузки (является источником отрицательного тока). В этом режиме SMU работает в четвёртом квадранте и потребляет ток.

Рисунок 2. Типовая схема измерения нестабильности по нагрузке с помощью двух каналов SMU.

1. SMU канал 1: подача напряжения, измерение тока, измерение напряжения
2. Выход «+»
3. Измерение «+»
4. Измерение «–»
5. Выход «–»
6. Vвх
7. Преобразователь постоянного тока
8. Vвых
9. Iнагр
10. Выход «+»
11. Измерение «+»
12. Измерение «–»
13. Выход «–»
14. SMU канал 2: потребление тока (нагрузка), измерение выходного напряжения

Каналы SMU настраиваются на работу с отдельным измерительным входом напряжения (четырёхпроводный режим). Четырёхпроводный режим подключения компенсирует падение напряжения на соединительных проводах, которое, в противном случае, отрицательно сказалось бы на точности измерений. В четырёхпроводном режиме напряжение подаётся по одной паре проводов (Выход «+» и Выход «–»), а измеряется по другой паре проводов (Измерение «+» и Измерение «–»). Измерительные провода следует подключать как можно ближе к тестируемому устройству, что минимизирует влияние сопротивления проводов на результаты измерения.

На рисунке 3 показаны результаты типового измерения нестабильности по нагрузке, в ходе которого постоянное выходное напряжение тестируемого устройства было установлено на 3,6 В. Канал 1 SMU настраивался так, чтобы подавать на вход преобразователя напряжение 5 В (номинальное значение). Канал 2 SMU настраивался так, чтобы изменять ток нагрузки от 0 до 1 А и измерять результирующее выходное напряжение. Измерения выполнялись автоматически под управлением специальной программы. Значение нестабильности по нагрузке легко рассчитывается по измеренным значениям тока и напряжения.

Рисунок 3. Результаты типового измерения нестабильности по нагрузке.

1. Выходное напряжение, В
2. Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки или нестабильность по нагрузке
3. Ток нагрузки, А

Нестабильность по входу

Нестабильность по входу характеризует способность преобразователя постоянного тока поддерживать заданное выходное напряжение при изменении входного напряжения. Выходное напряжение должно оставаться постоянным в пределах нескольких милливольт при изменении входного напряжения в указанном диапазоне. Для измерения нестабильности по входу оба канала SMU подключаются к преобразователю постоянного тока так же, как при измерении нестабильности по нагрузке.

Однако в ходе этого измерения входное напряжение меняется в заданном диапазоне и при этом измеряется результирующее выходное напряжение. Обычно ток нагрузки устанавливается на 0 А. На рисунке 4 показаны результаты типового измерения нестабильности по входу. Один канал SMU (первый) настроен так, чтобы менять напряжение на входе тестируемого устройства, а другой канал SMU (второй) настроен на измерение выходного напряжения. Затем нестабильность по входу можно рассчитать по измеренным значениям входного и выходного напряжения.

Рисунок 4. Результаты типового измерения нестабильности по входу.

1. выходное напряжение, В
2. зависимость выходного напряжения от входного или нестабильность по входу
3. входное напряжение, В

Упрощение тестирования полевого транзистора с помощью SMU

Измерение вольт-амперных характеристик полевого транзистора используется для того, чтобы подтвердить его соответствие требованиям спецификаций и пригодность к применению в целевых приложениях. Измеряемые параметры могут включать ток утечки затвора, напряжение пробоя, пороговое напряжение, передаточные характеристики, ток стока, сопротивление в открытом состоянии и т. п. Тестирование полевого транзистора зачастую включает программирование и синхронизацию нескольких измерительных приборов, в том числе чувствительного амперметра и нескольких источников питания, что может отнимать много времени. И хотя готовые системы для измерения параметров полупроводниковых приборов решают проблему интеграции, стоимость систем такого типа составляет обычно десятки тысяч долларов. Альтернативный подход заключается в использовании SMU. Число SMU, необходимых для проведения теста, зависит обычно от числа выводов полевого транзистора, на которые надо подавать питание, и на которых надо выполнять измерения.

В большинстве случаев полевой транзистор представляет собой устройство, работающее с основными носителями заряда, в котором протекающий ток меняется под воздействием электрического поля. Полевой транзистор, как правило, имеет три вывода: исток, сток и затвор. Приложенное к затвору (Vз) напряжение управляет током, протекающим от истока (Iи) к стоку (Iс).

Существует множество структур полевых транзисторов, включая MOSFET (металл-окисел-полупроводник), MESFET (металл-полупроводник), JFET (полевой с управляющим p-n переходом), OFET (органический полевой), GNRFET (транзистор с графеновой нанолентой) и CNTFET(транзистор с углеродной нанотрубкой). Все эти транзисторы отличаются конструктивно и типом канала.

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора можно использовать для извлечения многих параметров устройства, для изучения влияния технологий изготовления и параметров технологических процессов и для определения качества контактов. На рисунке 5 показана схема измерения вольт-амперных характеристик транзистора MOSFET на постоянном токе с помощью двухканального SMU (каналы 1 и 2). Здесь клемма Выход «+» канала 1 подключена к затвору транзистора, клемма Выход «+» канала 2 подключена к стоку. Исток транзистора подключен к клеммам Выход «–» обоих каналов SMU или к третьему каналу SMU, если нужно подавать и измерять напряжение на всех трёх выводах транзистора.

Рисунок 5. Схема измерения вольт-амперных характеристик транзистора MOSFET на постоянном токе с помощью двухканального SMU.

1. Выход «+»
2. Выход «–»
3. Канал 1 SMU
4. Затвор
5. Сток
6. Исток
7. Канал 2 SMU

После подключения транзистора к SMU нужно настроить управляющую программу (как правило, встроенную в SMU) на выполнение автоматических измерений. Подключите прибор к компьютеру кабелем Ethernet, введите IP-адрес SMU в адресную строку любого браузера, после чего откроется внутренняя веб-страница прибора. С этой страницы пользователь может запустить встроенную программу и настроить нужные тесты, которые можно сохранить для дальнейшего использования.

Одним из измерений, часто выполняемых для транзисторов MOSFET, является получение семейства выходных характеристик (Vси-Iс). В ходе этого измерения канал 1 SMU ступеньками меняет напряжение на затворе (Vз), а канал 2 SMU свипирует напряжение на стоке и измеряет результирующий ток стока (Iс). После настройки двух каналов SMU на выполнение этого теста, данные можно получать и выводить в виде графика на экран в режиме реального времени. На рисунке 6 показано семейство выходных характеристик транзистора MOSFET, полученное с помощью двухканального SMU, оптимизированного для измерения малых токов. После экспорта в файл формата CSV, эти данные можно загружать в электронные таблицы для дальнейшего анализа или для преобразования в таблицу.

Рисунок 6. Это семейство выходных характеристик транзистора MOSFET получено с помощью двухканального SMU, оптимизированного для измерения малых токов.

Другим широко распространённым измерением полевого транзистора, которое можно выполнить по той же схеме, является построение зависимости тока стока (Iс) от напряжения на затворе (Vз). В ходе этого измерения выполняется свипирование напряжения на затворе и измеряется результирующий ток стока при постоянном напряжении на стоке. На рисунке 7 показана результирующая кривая Iс-Vз, полученная при постоянном напряжении на стоке. Однако в этом случае полученные данные были экспортированы в виде файла и нанесены на график в полулогарифмическом масштабе. Этот тест можно изменить так, чтобы напряжение на стоке менялось шагами, а напряжение на затворе свипировалось. Данные Iс-Vз отображают несколько декад тока стока, измеренного с помощью SMU (от 10-12 до 10-2 ампер).

Рисунок 7. Зависимость тока стока от напряжения на затворе транзистора MOSFET.

1. Ток стока, А
2. Зависимость тока стока от напряжения на затворе
3. Напряжение на затворе, В

Заключение

Сложность измерений отрицательно сказывается на эффективности и продуктивности работы инженера. Как показано в этой статье, источники-измерители, объединяющие в себе функции нескольких приборов, могут упростить процедуры тестирования, экономя время и позволяя получать более точные и воспроизводимые результаты. В ходе измерений характеристик преобразователей постоянного тока один двухканальный SMU заменяет пару цифровых мультиметров, источник питания и электронную нагрузку. В ходе измерений параметров полевого транзистора SMU представляет собой более простую и недорогую альтернативу схемам измерения, состоящим из чувствительного амперметра и нескольких источников напряжения или из специализированной системы для измерения характеристик полупроводниковых приборов.

Об авторе

Том Ольсен является менеджером, ответственным за разработку источников-измерителей линейки Keithley компании Tektronix. Том обладает более чем 20-летним опытом работы в области измерений, и добился значительных успехов, занимаясь разработкой, маркетингом и эксплуатацией измерительных приборов. В Keithley он пришёл в 2007 году, а до этого работал в компаниях GE Healthcare и Keysight Technologies.Том имеет степень бакалавра электротехники Висконсинского университета и диплом CORe Credential of Readiness от HBX Гарвардской школы бизнеса.

05.03.2020

|

Категории: Статьи

|

Тэги: Tektronix

Страница не найдена | Институт науки и технологий Сатьябама (считается университетом)

Наш веб-сайт был обновлен, а пункты меню изменены. Пожалуйста, посетите нашу ДОМАШНЮЮ СТРАНИЦУ [www.sathyabama.ac.in]

К сожалению, страница, которую вы ищете, не найдена

Перейти на домашнюю страницу

Имя

Адрес электронной почты

Мобильный номер

Город

Курсы

— Выберите — Курсы бакалавриата (UG)Инженерные курсы (B.E. / B.Tech / B.Arch / B.Des)BE — Информатика и инженерияB.E — Информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллектаB.E — Информатика и инженерия со специализацией в Интернете вещейB.E — Информатика и инженерия со специализацией в области науки о данныхB.E — Информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллекта и робототехникиB.E — Информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллекта и машин ОбучениеB.E — Информатика и инженерия со специализацией в технологии блокчейнB. E — Информатика и инженерия со специализацией в области кибербезопасностиB.E — Электротехника и электроникаB.E — Электроника и инженерия связиB.E — МашиностроениеB.E — Автомобильная инженерияB .E — МехатроникаB.E — Авиационная техникаB.E — Гражданское строительствоB.Tech — Информационные технологии nologyB.Tech – химическая инженерияB.Tech – биотехнологияB.Tech – биомедицинская инженерияB.Arch – бакалавр архитектурыB.Des. — Бакалавр курсов DesignEngineering (BE / B.Tech) — Неполный рабочий деньB.E — Информатика и инженерияB.E — Электротехника и электроникаB.E — Электроника и техника связиB.E — МашиностроениеB.E — Гражданское строительствоB.Tech — Химическая промышленность Курсы инженерного искусства и наукиB.B.A. — Бакалавр делового администрирования B.Com. — Бакалавр коммерцииB.Com. — Финансовый учетB.Sc. — Визуальная коммуникацияB.Sc — Медицинская лаборатория технологийB.Sc — Клиника и питание и диетологияB.Sc. — ФизикаB.Sc. — ХимияB.Sc. — ИнформатикаB.Sc. — МатематикаB.Sc. — БиохимияB. Sc. — Дизайн одеждыB.Sc. — Бакалавр биотехнологий. — Бакалавр микробиологии. — ПсихологияБ.А. — АнглийскийB.Sc. — Биоинформатика и наука о данных, бакалавр наук — Информатика, специализация в области искусственного интеллекта, бакалавр наук. — Бакалавр наук в области сестринского дела B.Sc. — Курсы авиационного праваB.A. бакалавр права (с отличием) BBA бакалавр права (с отличием) B.Com.LL.B. (с отличием) LL.B.Курсы фармацевтикиB.Pharm., Бакалавр фармацииD.Pharm., Диплом фармацевтаПоследипломное образование(PG)Инженерные курсыM.E. Информатика и инженерияМ.Е. Прикладная электроникаМ.Е. Компьютерное проектированиеМ.Е. Строительная инженерияМ.Е. Силовая электроника и промышленные приводыM.Tech. БиотехнологияM.Tech. Медицинское оборудованиеM.Tech. Встроенные системы и IoTM.Arch. Устойчивая архитектураM.Arch. Управление зданиемПрограмма управленияMBA — Магистр делового администрированияНеполный рабочий день последипломного образованияM.E. Информатика и инженерияМ.Е. Прикладная электроникаМ.Е. Компьютерное проектированиеМ.Е. Строительная инженерияM.Tech. Медицинское оборудованиеM.Tech. БиотехнологияM.B.A. Master of Business AdministrationPG Arts & Science Courses AdmissionM.A — EnglishM.Sc — Visual CommunicationM.Sc — PhysicsM.Sc — MathematicsM.Sc — ChemistryM.Sc — BioInformatics & Data ScienceResearch Programs AdsPh.D in all Disciplines Engineering / Technology, Management и наукБакалавр стоматологической хирургии(B.D.S)B.D.S — Бакалавр стоматологической хирургииМагистр стоматологической хирургии(M.D.S)M.D.S — Ортодонтия и челюстно-лицевая ортопедияM.D.S — Консервативная стоматология и эндодонтияM.D.S — Педодонтия и профилактическая стоматология

Я согласен получать информацию по отправленному мной запросу

Измерение напряжения, тока и мощности в однофазной цепи с резистивной нагрузкой — бесплатная тетрадь по электрике

№ эксперимента: 1

Название эксперимента:

Измерение напряжения, тока и мощности в однофазной цепи с резистивной нагрузкой.

Цель:

Для измерения напряжения, тока и мощности в однофазной цепи с резистивной нагрузкой.

Теория:

Согласно показанной принципиальной схеме мы использовали реостат в качестве резистивной нагрузки. Амперметр типа МИ включен последовательно с реостатом для измерения тока, протекающего через него. Мы выбрали амперметр в соответствии с током нагрузки. Вольтметр типа MI подключен к нагрузке для измерения напряжения на ней. Для измерения мощности, потребляемой нагрузкой, мы подключили ваттметр. Мы выбрали ваттметр и вольтметр в соответствии с напряжением питания и номинальным током нагрузки.

В ваттметре коэффициент умножения определяется следующим образом:

В нашем случае

(i) MF= (150×5×1)/750 = 1 [При напряжении питания 100 В]

(ii) MF = (300×5×1)/750 = 2 [При напряжении питания 200 В]

Итак, мы должны умножить 1 и 2 на показания ваттметра в Sl. № 1 и 2 соответственно, как показано в таблице наблюдений.

Схема:

Стол наблюдения:

Сл. №	Resistance (Ohm)	Voltage (V)	Current (A)	Power (W)
1.	100	100
2.	100	200

Используемое оборудование:

Примечания:

1. Мы не должны прикасаться к катушке реостата во время и после теста, потому что она рассеивает значительное количество тепла.