Giải Bài ✅ (ĐÃ XÁC MINH)

1 Các khái niệm và phương pháp đo công suất – Tài liệu text

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản khá đầy đủ của tài liệu tại đây ( 8.63 MB, 475 trang )

a)

Hình 6-1

b)

Khi mạch điện công tác ở chế độ xung, thì cần xác định trị số công suất xung. Trị

số công suất xung là trị số công suất trung bình trong khoảng thời gian tồn tại của

xung (nh hình 6-1a).

Pxg =

1 T

uidt

0

Trị số công suất trung bình thì bằng trị trung bình trong khoảng chu kỳ lặp lại của

xung:

P=

1 T

uidt

T 0

Quan hệ giữa Pxg và P là:

P = Pxg

T

Trờng hợp tín hiệu xung có dạng nh hình 6-1b, thì công suất xung Pxg tìm đợc

xác định nh xung tơng đơng có hình chữ nhật mà biên độ cũng bằng Um, và thời gian

bằng khoảng thời gian tính từ các điểm tơng ứng với mức nửa biên độ

Um

.

2

Trong kỹ thuật điện tử, thông tin, giới hạn lợng trình đo công suất khá rộng. Từ

các thiết bị có công suất lớn nh máy phát, đến các thiết bị có công suất nhỏ nh máy

thu, máy đo…. Các thiết bị này có công suất từ 10-6W đến 107W, ở các chế độ công tác

khác nhau, nh chế độ công tác liên tục hay chế độ xung.

Về đơn vị đo công suất, đơn vị tuyệt đối là Oát (W); kể cả các đơn vị ớc số và bội

số của oát, từ micro oát (àW) tới mêga oát (MW). Ngoài ra trong đo lờng còn đợc

dùng các đơn vị công suất tơng đối nh đêxiben oát, đexiben mili oát… (dbW, dbmW

…) với các đơn vị này, cho ta khái niệm về so sánh các mức công suất ở các vị trí khác

nhau một cách thuận tiện, nhất là trong kỹ thuật thông tin.

244

Đơn vị công suất tơng đối đợc xác định theo biểu thức:

= 10 lg

P

P1

(2)

ở đây, P là trị số công suất tính bằng W (hay mW) tại một vị trí đo nào đó; P1 là

trị số công suất ban đầu, bằng 1W (hay 1mW); đo bằng dbW ( hay dbmW) có dấu

dơng khi P>P1 và dấu âm khi P
6.1.2 Phơng pháp đo công suất

Trong đo công suất, ở siêu cao tần, thờng có hai nhiệm vụ phải giải quyết:

1. Đo công suất trên tải có phối hợp trở kháng, hay đo công suất cực đại đợc hấp

thụ, của năng lợng từ một nguồn có công suất cần đo. Trong phép đo này, tải đợc xác

định, có trị số bằng trở kháng đặc tính của đờng dây và tải là thuần điện trở. Sơ đồ

khối của phép đo này nh hình 6-2.

Hình 6-2

Khi đo, Oát-mét đợc mắc với nguồn công suất cao tần cần đo thông qua dây

truyền tải. Nh vậy công suất hấp thụ trên điện trở tải của oát-mét phụ thuộc vào sự

phối hợp của nguồn công suất cần đo không những chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác của

oát-mét mà còn phụ thuộc cả vào mức độ phối hợp của đờng dây với nguồn và với tải.

2. Đo công suất đợc hấp thụ trên tải bất kỳ hay đo công suất truyền thông. Trong

phép đo này, công suất đo đợc là một phần của nguồn công suất cần đo. Ví dụ cần đo

công suất bức xạ trên anten từ nguồn công suất phát ra của một máy phát; hay công suất

đa tới tầng công suất cuối của tầng trớc cuối của một máy phát… Sơ đồ khối của phép

đo này nh hình 6-3.

Về cấu tạo, thì oát-mét thờng gồm ba khối ( các khối có vẽ trong khung nét rời

trên các hình 6-3 và 6-2): tải hấp thụ; bộ biến đổi năng lợng và thiết bị chỉ thị.

245

Tuỳ theo phơng pháp đo mà ngời ta có các biện pháp biến đổi năng lợng thích

hợp và trực tiếp hay gián tiếp chỉ thị. Đó cũng chính là cơ sở cấu tạo của các loại oátmét.

Việc đo công suất trong kỹ thuật điện tử, ngoài điều phải thực hiện với một dải

lợng trình đo lớn, ta còn phải thực hiện với một dải tần số đo rất rộng. Do đó có nhiều

phơng pháp đo khác nhau thích ứng với các trờng hợp cụ thể để đạt đợc sai số đo cho

phép. Thờng thì các phơng pháp đo cơ bản tuỳ thuộc vào khả năng chế tạo thiết bị nên

chỉ thích hợp cho sử dụng trong từng tần đoạn. Tuy nhiên, cũng có các phơng pháp có

thể áp dụng với mọi tần đoạn tuỳ theo yêu cầu cụ thể của phép đo với một mức độ nào

đó.

ở các mạch điện một chiều, mạch xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz, 60Hz),

âm tần, và cả tần số cao tần, thì phép đo công suất đợc thực hiện bằng phơng pháp đo

trực tiếp hay đo gián tiếp. Đo trực tiếp công suất có thể thực hiện bằng oát-mét. Oát-mét

có độ biến đổi các đại lợng điện là một thiết bị “nhân” điện áp, và dòng điện trên tải, để

sao cho nó đầu ra đợc trực tiếp chỉ thị đại lợng đo là: P=UIcos. Thiết bị nhân này ví

dụ nh dụng cụ điện động, loại oát-mét dùng bộ biến đổi “Hôn” và loại dùng các bộ

nhân điện tử.

Hình 6-3

Đo gián tiếp công suất thì đợc thực hiện bằng phép đo dòng điện, điện áp và trở

kháng. Phép đo công suất bằng vôn-mét và ampe-mét thì đơn giản, song trong nhiều

trờng hợp, không thể đợc thuận lợi nh phơng pháp đo trực tiếp.

ở siêu cao tần, đo công suất là một trong những phép đo cơ bản, chủ yếu để xác

định thông số đặc tính của tín hiệu. Phép đo đợc thực hiện bằng các phơng pháp biến

đổi năng lợng điện từ thành các dạng năng lợng khác để đo. Các dạng năng lợng

khác ví dụ nh quang năng (phơng pháp dùng tế bào quang điện), nhiệt năng (phơng

246

pháp dùng nhiệt lợng-mét, điện trở), hay cơ năng (phơng pháp dùng tác dụng cơ học

của sóng điện từ). Các phần tiếp theo sau đây sẽ xét tới các phơng pháp cơ bản để đo

công suất siêu cao tần.

Hiện nay, có một phơng pháp đo công suất đợc dùng nhiều ở tất cả các tần đoạn

trong dải tần số trong điện tử là phơng pháp dùng hiệu ứng “Hôn” trong chất bán dẫn.

Ta cũng sẽ xét tới phơng pháp này.

Độ chính xác của các phép đo công suất ở kỹ thuật điện tử, đợc coi là cao nếu

nh sai số không quá 5%, và là trung bình nếu sai số không quá 25%.

Về mức độ, thì công suất của thiết bị đợc coi là lớn khi có trị số lớn hơn 10W; là

trung bình khi có trị số từ 10W đến 0,1W; và đợc coi là bé khi trị số từ 0,1W đến 106

W.

6.1.3 Đo công suất ở tần số thấp và tần số cao

Vấn đề đo công suất ở âm tần và cao tần ít đợc quan tâm. Vì khi cần khảo sát

mạch điện hay thiết bị ở âm tần và cao tần, ta có thể thực hiện các phép đo lờng đơn

giản hơn qua các thông số đặc tính của trờng hợp khác nh dòng điện hay điện áp.

Song cũng có những trờng hợp đo trực tiếp công suất thì tiện lợi hơn. Ta sẽ xét tới

những phơng pháp đo công suất ở âm tần và câo tần hay dùng, đồng thời nó cũng là cơ

sở cấu tạo của oát-mét ở tần đoạn này.

1. Phơng pháp nhân

Nh đã trình bày ở phần trên, vì công suất tác dụng cần đo trên tải trong trờng

hợp dòng điện là điều hoà, bằng tích số của dòng điện và điện áp trên tải: P=UIcos.

Việc đo công suất trên tải có thể thực hiện trực tiếp phép nhân điện áp và dòng điện trên

tải bằng một thiết bị nhân. Oát-mét điện động đợc cấu tạo theo phơng pháp này, trị số

chỉ thị của kim oát-mét là một đại lợng tỷ lệ trực tiếp với tích số của điện áp và dòng

Hình 6-4

247

điện trên tải cần đo. Song loại oát-mét điện động chỉ có thể dùng để đo công suất ở tần

số thấp và mức công suất tơng đối lớn thôi, và đặc tính tần số của nó bị hạn chế nhiều

do cảm kháng của các cuộn dây và các điện dung tạp tán.

Một thiết bị mạch nhân có nhiều u điểm và đợc phổ biến dùng là thiết bị nhân

sử dụng đặc tuyến bậc hai của đèn bán dẫn. Nguyên lý của mạch điện của loại này nh

hình 6-4. ở đây đã dùng thuật toán biến đổi phép nhân theo đẳng thức:

x1x 2 =

[

1

( x 1 + x 2 )2 ( x 1 x 2 )2

4

]

(3)

Nếu ở đầu vào mạch điện mà có: x1=Usint; và x2=Isin(t-), tức là các thành

phần điện áp và dòng điện trên tải, thì ở đầu ra sẽ có điện áp:

4x1x2=4UIsintsin(t-)

Biến đổi lợng giác tích số trên, ta có:

4x1x2=2UIcos-2UIcos(2t-)

ở đây, điện áp đợc đo bằng đồng hồ từ điện, song song với đồng hồ có đợc mắc

tụ điện, nên trị số chỉ thị của kim đồng hồ là chỉ tơng ứng với thành phần một chiều:

2UIcos, tức là công suất cần đo trên tải.

Để có đợc phần tử có đặc tuyến bậc hai thì có thể dùng nhiều cách nh các phần

tử tách sóng hiệu dụng (giới thiệu trong chơng đo điện áp). Ví dụ nh phần đầu của đặc

tuyến dòng điện-điện áp của đi-ốt hoặc của tranzito. Nhợc điểm của các oát-mét dùng

phơng pháp nhân bằng đặc tuyến bậc hai là yêu cầu đèn phải có đặc tuyến đồng nhất.

Vì vậy nó thờng có sai số khi đèn có biến đổi đặc tuyến, nh khi đèn bị già đi, khi đèn

bị thay thế hay khi có sự thay đổi

điện áp cung cấp. Để nâng cao độ

chính xác thì điện áp cung cấp cho

mạch phải ổn định; nên thờng hay

thực hiện hồi tiếp dòng điện.

Hình 6-5

248

Sai số của các loại oát-mét này

thờng vào khoảng 5ữ10%. Hình 65 là một ví dụ mạch điện của một oátmét đơn giản dùng đi-ốt. Phần tử có

đặc tuyến bậc hai ở đây chính là điốt.

2. Phơng pháp đo dòng điện trên mạch điện có trở kháng đ biết

Phơng pháp này thờng dùng để đo công suất ra của một máy phát. Khi đo, ngời

ta mắc thay tải của một máy phát (ví dụ nh anten) bằng một điện trở tơng đơng đặc

biệt; nghĩa là một điện trở có tính tiêu chuẩn cao, ít thành phần điện kháng, có khả năng

hấp thụ nhiều năng lợng.

Tiến hành đo dòng điện trên điện trở tải, thì từ đó có thể xác định đợc công suất

ra của máy phát theo công thức:

P = I2R

3. Phơng pháp so sánh

Đo công suất của một nguồn điện ở cao tần, có thể bằng cách so sánh nó với

nguồn công suất dòng điện một chiều hay nguồn dòng điện có tần số thấp.

Ta đã biết phơng pháp đo công suất dòng điện một chiều hay dòng điện tần số

công nghiệp (50Hz-60Hz); các phơng pháp đo này thờng dễ thực hiện và có độ chính

xác cao. Ví dụ nh đo công suất bằng oát-mét điện động thì sai số có thể đạt tới (0,1%0,2%).

Phép đo so sánh nguồn công suất có thể đợc thực hiện bằng nhiều cách. Một

trong các cách này đợc dùng thông dụng là so sánh cờng độ sáng của hai đèn. Trong

hai đèn này, một đèn đợc nối với nguồn công suất cần đo, đèn thứ hai đợc nối với một

nguồn công suất một chiều hay tần số thấp. Khi độ sáng của hai đèn bằng nhau, điều

này có thể xác định đợc nhờ một thiết bị đo ánh sáng (quang độ-mét), hay bằng tế bào

quang điện. Khi đã xác định đợc nguồn có công suất dòng điện một chiều, có thể biết

đợc công suất của nguồn công suất cao tần cần đo.

4. Phơng pháp đo công suất bằng hiệu ứng “Hall”

Đo công suất bằng phơng pháp hiệu ứng “Hall ” là dùng oát-mét cấu tạo bằng bộ

biến đổi Hall.

Bộ biến đổi Hall là bộ biến đổi dùng hiệu ứng Hall, đó là thiết bị có thể thực hiện

đợc phép nhân hai đại lợng. Kết quả biến đổi đợc cho dới dạng điện áp, và là một

trị số tỷ lệ với tích số của hai đại lợng đa vào bộ biến đổi.

Hiệu ứng Hall thực hiện bằng vật liệu bán dẫn thì cho dòng linh động lớn. Vì vậy

các bộ biến đổi Hall thờng đợc cấu tạo bằng các chất bán dẫn (Ge, Si, Se …).

Nguyên lý cấu tạo của bộ biến đổi Hall nh hình 6-6. Nó gồm một bản mỏng bằng

chất bán dẫn đơn tinh thể, có hai cặp điện cực: cặp dòng điện D và cặp điện áp Hall H.

Cặp D đợc cung cấp là dòng điện một chiều hay xoay chiều. Khi trên bản có tác dụng

249

của từ trờng, thì giữa hai cực H sẽ sinh

ra một sức điện động Hall eH. Trị số của

eH tỷ lệ với tích số của dòng i và từ

trờng H:

eH=kBi=kàà0Hi

(4)

ở đây, k là hệ số tỷ lệ, nó phụ

thuộc vào vật liệu, kích thớc và dạng

của bản thân bản bán dẫn; nó còn phụ

thuộc cả vào nhiệt độ và cờng độ từ

trờng của môi trờng xung quanh. B là

trị số điện trờng, nó đợc sinh bởi

dòng điện iL trong cuộn dây L và đợc

cấu tạo sao cho quan hệ giữa dòng iL và

B là quan hệ bậc nhất:

Hình 6-6

B=ki.iL = ku.uL

(5)

Thay (5) vào (4), ta có:

eU=k ki.iLi=k ku.uLi

(6)

Cuộn dây điện từ đợc cung câp bởi dòng điện một chiều hay xoay chiều tuỳ theo

các trờng hợp công suất cần đo.

Bộ biến đổi Hall trên thực tế có thể coi là không có quán tính, nó có cấu tạo tơng

đối đơn giản, kích thớc bé, thời gian làm việc đợc lâu và bền vững. Có thể dùng bộ

biến đổi Hall để đo công suất thực hiện (công suất tác dụng) và công suất hiện dạng

(công suất biểu kiến) trong một dải tần số rất rộng, tới cả tần số siêu cao tần. Đó là các

u điểm của bộ biến đổi Hall. Khuyết điểm của bộ này là các thông số của nó bị phụ

thuộc nhiều vào nhiệt độ.

Oát-mét cấu tạo bằng bộ biến đổi Hall dùng để đo công suất dòng một chiều thì

cũng dựa theo kết quả của biểu thức (6) ở trên. Nếu dòng điện cung cấp cho cặp D của

bộ biến đổi là dòng điện qua tải, còn điện áp đặt trên cuộn L là điện áp hạ trên tải, thì

điện áp eH là đại lợng tử lệ với công suất tiêu thụ trên tải:

Pt = UtIt

Khi đo lờng công suất của dòng điện xoay chiều hình sin, nếu điện áp và dòng

điện tức thời qua tải là:

u = Umsint

i = Imsin(t-)

250

VIETLIKE.VN

CEO: Công ty TNHH Công Nghệ Truyền Thông Ez Media.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button