Вольтметр с полевыми транзисторами

В схеме вольтметра, изображенной на рис. 1, испольован усилитель, в котором совместно работают полевые и биполярные транзисторы. Такие усилители называют гибридными. Гибридное включение обычно дает хорошие результаты, так как при этом удается устранить или ослабить недостатки одних и сохранить достоинства других.

Рис. 1. Принципиальная схема вольтметра

В упрощенном виде схема усилителя показана на рис. 2. Этот усилитель получил название истокового по­вторителя со следящей обратной связью. Эффективная крутизна устройства велика и может достигать сотен мА/В.

Устройство отличается стабильностью по отношению к изменениям напряжения и окружающей температуры. Изменение коэффициента усиления не превышает ±1% при изменении окружающей температуры от — 40 до 100° С.

Такая высокая температурная стабильность объяс­няется наличием сильной отрицательной обратной связи.

Автором был построен и испытан вольтметр, постоян­ного тока, в котором два истоковых повторителя со сле­дящей связью включены по балансной схеме (см. рис. 1).

Рис. 2. Упрощенная схема усилителя

Полевые транзисторы КП103К могут быть заменены аналогичными транзисторами с другими индексами или транзисторами типа КП102. Вместо микросхемы серии 2НТ173 можно поставить 2НТ171 или 2НТ011. Сопро­тивления резисторов делителя R1 и R2 подобраны с точ­ностью ±0,5% (желательно типов ПТМН, С5-5 или БЛП), резисторов R4, R13, R5 и R12 — C точностью ±1 — 2%. Сопротивления резисторов R8 — R10 опреде­ляются чувствительностью и внутренним сопротивлением примененного в вольтметре стрелочного прибора РА.

Несмотря на простоту схемы вольтметр обладает хо­рошими параметрами. Работает он весьма стабильно.

Через несколько секунд после включения питания стрелка индикатора РА устанавливается на нуль. За во­семь часов работы уход нуля меньше 1 мВ. Коэффици­ент передачи усилителя путем подбора резисторов R6 и R11 можно сделать в точности равным единице. Это сильно упрощает градуировку прибора. Можно исполь­зовать вольтметр как высокоомную приставку к любому авометру, причем градуировку авометра менять не нуж­но. Усилитель вольтметра имеет большую выходную мощность и низкое выходное сопротивление, следова­тельно, в качестве индикатора РА можно использовать прибор с большим током полного отклонения. Переклю­чатели S1 — S3 — типа П2К.

Замена биполярных транзисторов в схеме, изобра­женной на рис. 2, не сказывается на коэффициенте передачи усилителя и почти не влияет на положение ну­левой точки. Полевые транзисторы VI и V6 желательно подобрать по величине I_с и S_МАКС (Iс — ток стока полево­го транзистора (ПТ) при напряжении смещения на за­творе, равном нулю; S_макc — крутизна ПТ в этой точке). Разница в 20% допустима.

Диапазон измеряемых напряжений от 0 до ±300 В разбит на восемь поддиапазонов: 0 — 0,1 В; 0 — 0,3 В; 0 — 1 В и т. д. Напряжения от 300 до 1000 В подаются на отдельный зажим.

Класс точности определяется классом стрелочного прибора. При градуировке вольтметра образцовым при­бором класса 0,5 отклонения от линейности заметить не удалось.

Входное сопротивление 10 МОм, сила потребляемого тока 5 мА. В цепочке следящей связи использованы со­ставные транзисторы вместо одиночных. Это приводит к уменьшению зависимости коэффициента усиления устройства от параметров транзисторов и снижению вы­ходного сопротивления усилителя (коэффициент усиле­ния по току составного транзистора равен произведению коэффициентов усиления входящих в него транзисторов).

Переменный резистор R3 служит для компенсации влияния тока затвора на показания вольтметра. Сила то­ка затвора ПТ приблизительно, равна 10~⁹ А. Протекая по резисторам входного делителя, сопротивление кото­рого равно 10⁷ Ом, этот ток создает на нем падение на­пряжения,-равное 10 мВ. При подключении вольтметра к источнику измеряемого напряжения с малым внутрен­ним сопротивлением падение напряжения от тока затво­ра уменьшается практически до нуля, что вносит ошибку в измерения. Для первого поддиапазона (100 мВ) ошиб­ка составила бы 10%. На резисторе R3 создается паде­ние напряжения за счет тока, протекающего от источни­ка питания.

Сопротивления резисторов R3 и R15 подбираются так, чтобы потенциал точки Б был равен потенциалу точки А. Делается это следующим образом. При откры­том входе стрелка вольтметра устанавливается на нуль с помощью потенциометра R7 (переключатель S1 нахо­дится в положении «X 1», а переключатель S2 — в поло­жении «0,1 В»). Затем вход замыкается накоротко. Стрелка прибора отклоняется от нулевого положения.

Меняя сопротивление резистора R3, стрелку надо вер­нуть на нуль. После этого снять замыкатель, и можно производить измерения.

Рие. 3. Градуировочная характеристика вольт­метра

Градуировочная характеристика вольтметра изобра­жена на рис. 3 (для диапазона «3 В»). Кривые 1, 2 и 3 соответствуют различным напряжениям выпрямителя на диоде VS, с которого подается питание в цепи истоков ПТ: 1 — 5,6 В; 2 — 3,5 В; 3 — 0 В. Если нет необходимости иметь симметричную градуировочную кривую, то выпрямитель на диоде V8 следует из схемы устройства исключить.

При питании вольтметра от батарей на вход (за­жим А) следует подавать положительный сигнал, так как при этом сила тока, потребляемого от источника пита­ния, уменьшается. Но тогда, что следует из рис. 3, при­дется избрать вариант с двумя источниками питания. Обе батареи могут иметь напряжение по 4,5 В. Сниже­ние напряжения батарей до 3,5 В не влияет на показа­ния вольтметра.

Уменьшить потребление тока от батарей можно, если увеличить сопротивление резисторов R5 и R12. Сила то­ков, протекающих через эти резисторы, не должна быть меньше, чем 5 — 10 I_п (I_п — ток полного отклонения стре­лочного прибора РА).