Как измерительные приборы реагируют на сигналы различной формы?

Действие тока на различные нагрузки при изменении его формы изменяется по-разному.

К примеру, зарядный ток аккумулятора при переходе от двухполупериодного выпрямления к однополупериодному уменьшается вдвое. Если же нагрузкой выпрямителя является нагреватель, при таком изменении формы вдвое уменьшается не ток, а мощность. Поскольку, как известно, мощность Р пропорциональна квадрату тока (P=I₂R), то для однополупериодного выпрямления ток уменьшается не вдвое, а в раз! Чтобы избежать подобных противоречий и введены перечисленные выше понятия.

Для характеристики формы периодических сигналов введены два параметра: коэффициент амплитуды k_а=I_ампл/I_эфф и коэффициент формы k_ф=I_эфф/I_{ср.выпр.}

При наиболее распространенной форме сигнала - синусоидальной - рассмотренные значения составляют:

Для напряжения переменного электрического сигнала существуют те же характеризующие значения, что и для тока, - амплитудное Uампл , среднее Uср и эффективное Uэфф. Связь между ними такая же. При эффективном напряжении сети 220 В амплитудное напряжение составляет 311 В, средневыпрямленное - 198 В.

На практике (при выполнении лабораторных работ, проведении исследований) приходится встречаться с электрическими сигналами разнообразной формы. Рассмотрим некоторые из них.

Синусоидальное напряжение (рис.1,а) при двухполупериодном выпрямлении (рис.1,б) сохраняет свои характеристики, причем среднее напряжение становится строго равным средневыпрямленному.

Рисунок 1 – Формы электрических сигналов

При однополупериодном выпрямлении (рис.1,в) среднее значение напряжения уменьшается в два раза по сравнению с двухполупериодным, а эффективное - в раз. Нетрудно понять, что если в каком-либо регуляторе мощности из N полупериодов на нагрузку пропускается один, среднее напряжение уменьшается в N раз (во столько же раз уменьшается и мощность в нагрузке), а эффективное - в раз.

Меандр (рис.1,г). Так называют сигнал, который одну половину периода равен своему максимальному значению, а другую - нулю (рис.1,г). Для него среднее значение равно половине амплитудного. Мощность, выделяемая током такой формы в нагрузке, вдвое меньше, чем мощность от постоянного тока, поэтому эффективное значение сигнала в раз меньше амплитудного. В случае двуполярного меандра (рис.1,д) напряжения U_ампл , U_{ср.выпр} и U_эфф совпадают между собой.

Последовательность прямоугольных импульсов (рис.1,е) длительностью t с периодом повторения T. Для такого сигнала существует понятие "скважность", которая обычно обозначается буквой Q и определяется как отношение периода к длительности импульсов: Q = T/t. Поскольку ток сигнала такой формы действует в Q раз меньшее время, чем постоянный ток, среднее значение сигнала в Q раз меньше амплитудного, а эффективное в раз.

Пилообразный сигнал (рис.1,ж,з). Для него среднее значение (средневыпрямленное для двуполярного) равно половине амплитудного (площадь треугольника равна половине произведения основания на высоту). Для расчета эффективного значения следует определить площадь под параболой, описывающей зависимость квадрата сигнала от времени. Так просто эту площадь не посчитать, при математическом расчете эффективное значение получается в раз меньше амплитудного.

То же соотношение справедливо и для сигнала треугольной формы (рис.1,и), в том числе и двуполярного (рис.1,к).

Как измерительные приборы реагируют на сигналы различной формы?

Отметим, прежде всего, что практически все стрелочные и цифровые мультиметры в режиме измерения постоянного напряжения и тока определяют среднее значение исследуемого сигнала.

Для измерения эффективного напряжения и тока подходят приборы электромагнитной системы - на их шкале нанесено изображение соответствующего знака . Эти приборы обычно используются в различных щитках для контроля сетевого напряжения. Они относительно просты и дешевы, но потребляют заметную мощность, работают в узком частотном диапазоне и имеют нелинейную шкалу.

Чтобы определить амплитудное значение напряжения, обычно используют диодный выпрямитель, нагруженный на вольтметр постоянного тока и конденсатор большой емкости (рис.2). Точность такого измерения достаточна для напряжения, значительно превышающего падение на диоде (около 0,6 В).

Рисунок 2 – Измерение амплитудного значения напряжения

Стрелочные и цифровые мультиметры при контроле переменного напряжения и тока определяют средневыпрямленное значение и умножают его на коэффициент формы синусоидального сигнала. В результате при измерении напряжения синусоидальной формы на индикаторе прибора мы видим его эффективное значение. При любой другой форме сигналов интерпретация результатов измерения вольтметром переменного тока затруднена.