7. ОМИЧЕСКИЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
а) Компенсированные делители напряжения без учета индуктивностей и распределенных емкостей на землю
Рис. 32. Омический делитель напряжения без учета распределенных емкостей на землю.
Омический делитель напряжения состоит из двух последовательно соединенных сопротивлений R1 и R2 (рис. 32), при этом R1>R2. Передаточным отношением делителя называют отношения напряжения, подлежащего делению, к измеряемому сигналу u2(t), снимаемому с низковольтной части делителя R2. Номинальное передаточное отношение определяется по формуле
Параллельно низковольтной части делителя R2 подключается входное полное сопротивление измерительного устройства, вследствие чего величина передаточного отношения отклоняется от номинального. Для измерения импульсов напряжения с большой крутизной измеряемый сигнал от делителя напряжения подводится к электроннолучевому осциллографу коаксиальным кабелем, к концу которого подключено волновое сопротивление. Входное полное сопротивление электроннолучевых осциллографов, ламповых вольтметров и т. д. представляет собою обычно параллельное соединение активного сопротивления порядка мегом и емкости величиной 10—50 пФ. К значению последней нужно еще добавить емкость измерительного кабеля, равную 30—100 пФ/м. Активным сопротивлением низковольтной части делителя напряжения почти всегда можно пренебречь, в то время как емкостное сопротивление при высоких частотах оказывает заметное влияние и делает передаточное отношение зависимым от частоты. Поэтому для синусоидальных напряжений высокой частоты передаточное отношение вычисляется по формуле
При несинусоидальных процессах обратное передаточное отношение может быть вычислено при помощи математических методов теории систем
Чтобы сделать передаточное отношение независимым от частоты, параллельно высоковольтной части делителя подключают емкость С1 (рис. 33). Величину этой емкости подбирают так, чтобы при высоких частотах выполнялось соотношение R1C1= R2Cm.
Если вычислить выходное напряжение u2(t) компенсированного делителя для постоянного напряжения на входе и0, то получим следующую ненормированную переходную функцию:
Для времени t≤0 конденсаторы разряжены и в первый момент приложения напряжения эквивалентны короткому замыканию. Напряжение на выходе изменяется скачкообразно до значения и2(0), которое может быть определено при помощи емкостного передаточного отношения
После достижения этого значения напряжения дальнейшее изменение выходного напряжения происходит по экспоненте до заданного конечного значения согласно активному передаточному отношению
Постоянная времени упомянутого экспоненциального изменения равна:
·
Рис. 33. Компенсированный омический делитель напряжения.
На рис. 34 показано изменение выходного напряжения компенсированного делителя, когда на его вход приложено прямоугольное напряжение. В случае, показанном на рис. 34,а, величина емкости C1 выбрана слишком большой — делитель перекомпенсирован, в случае на рис. 34,в эта емкость слишком мала — делитель недокомпенсирован.
Идеальные передаточные свойства получают тогда, когда
т. е. емкостное и активное передаточные отношения одинаковы.
Рис. 34. Воспроизведение прямоугольного напряжения при помощи компенсированного омического делителя напряжения в зависимости от степени компенсации.
Рис. 35. Схема замещения делителя напряжения, конструктивно выполненного в виде пробника.
При амплитуде экспоненциального члена становится равной нулю, и, таким образом, выходное напряжение в любой момент времени пропорционально изменению входного напряжения.
По описанному принципу выполнены так называемые пробники, которые часто применяют для соединения измеряемой цепи с электроннолучевыми осциллографами. Назначение этих пробников— чаще всего не деление
напряжения, а повышение полного сопротивления на входе электроннолучевого осциллографа. У обычных делителей напряжения низковольтное сопротивление R2 выбирают с учетом волнового сопротивления соединительного кабеля от делителя к электроннолучевому осциллографу, равного обычно 50—150 Ом.
Отличительной особенностью пробников является то, что при выборе сопротивления R2 нет необходимости учитывать согласование соединительного кабеля. Сопротивлением R2 является сопротивление утечки сетки входной лампы; лампа нагружена емкостями ламп и схемы (С2). Эта емкостная нагрузка компенсируется регулируемой емкостью C1, находящейся внутри пробника (рис. 35). В действительности эти соотношения немного сложнее, так как между входными гнездами и сеткой первой лампы дополнительно включен еще переключаемый аттенюатор.
Соединительный кабель между высоковольтной частью и низковольтной частью R2 представляет собой, при оптимальных условиях, линию передачи с критическим затуханием. Это достигается выполнением внутренней жилы кабеля из материала с высоким удельным сопротивлением. Обычно погонное сопротивление жилы кабеля составляет 10—100 Ом/м.
Значения емкостей С1 и С2 при настройке делителя несколько отличаются от расчетных, так как к одной из них добавляются собственные емкости конструктивных элементов.
Электрические характеристики пробников могут быть показаны на примере высоковольтного пробника «Тектроникс»: при напряжении 40 кВ пробник имеет время нарастания 4 нс, полное сопротивление на входе состоит из активного сопротивления 100 МОм и включенного параллельно ему конденсатора емкостью 2,7 пФ.
