Vrms что это напряжение

Чувствительность наушников

Параметр чувствительности отображает зависимость уровня «громкости» наушников от уровня поданного на наушники сигнала. Чем выше значение чувствительности, тем более громко будут играть наушники от фиксированного уровня сигнала.

Звуковое давление выражается в дБ SPL (Sound Pressure Level), где за 0 дБ SPL общепринято 20 мкПа — порог слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц.

Там, где график АЧХ не выражает чувствительность, значения приводятся просто к дБ без «SPL», а за 0 дБ берется значение на выбранной частоте или среднее по диапазону частот. Это аналогично определению высоты относительно уровня моря (как SPL) и относительно пола в квартире (где у пола нулевая высота).

Единицы измерения

Обычно чувствительность наушников выражается в дБ SPL к 1 мВт или к 1 В.

Под сокращенным «В» в контексте чувствительности всегда подразумевается переменное значение напряжения VRMS. В сокращенных вариантах может применяться и просто как «V». Так как в русском языке нет устоявшегося аналога аббривеатуры RMS (Root Mean Square), то обычно и указывается как VRMS вместо ВСКЗ.

Значение к мощности (дБ/мВт SPL) отражает КПД (коэф. полезного действия) наушников по отношению к затраченной энергии и в современном мире портативных плееров и смартфонов — к расходу батареи. Чем выше чувствительность наушников к мощности, тем меньше расход энергии и дольше работает источник.

Значение к напряжению (дБ/В SPL) отражает сравнительную «громкость» наушников при подключению к усилителю без учета, сколько в конечном итоге энергии будет потрачено.

Перевести значение чувствительности, выраженной от мощности к напряжению и наоборот, можно в специальном on-line калькуляторе.

В контексте чувствительности может и отсутсвовать приставка «SPL» к дБ/мВт и дБ/В.

Очень часто чувствительность на упаковке указывают просто в дБ, что делает это значение бессмысленным. Это примерно как «длина равна 6». И что это: 6 метров, сантиметров, дюймов или миль, гадать остается пользователю.

К сожалению, дизайнеры упаковок и копирайтеры предполагают, что значение чувствительности всегда указывается в единой стандартной величине, но это не так. По статистике 50% указывается к 1 мВт, 40% к 1 VRMS и 10% к иному значению (например к 300 мВ или другому значению напряжения или мощности). Региональной или иной зависимости, как с метрами и ярдами, килограммами и фунтами, градусами Цельсия и Кельвина — нет.

Чувствительность и график АЧХ

Чувствительность наушников к произвольной величине

Иногда можно встретить значение чувствительности не к 1 VRMS, а другому значению напряжения. Например для 118.8 дБ/В SPL будет равнозначное значение в виде 124.8 дБ/2VRMS SPL, которое означает, что при 2 VRMS будет звуковое давление в 124.8 дБ SPL. Или альтернативный вариант 98.8 дБ/0.1VRMS SPL, где при 0.1 VRMS будет 98.8 дБ SPL.

  • Предполагается, что наушники будут работать в паре с определенным источником (например 2 VRMS) и тем самым указывается одновременно и чувствительность наушников и их максимальное значение звукового давления от связки с этим усилителем.
  • Вместо 1 мВт указывается соответствующее 1 мВт значение напряжения. Например, значение напряжения для 1 мВт для наушников 24 Ом это будет равным 0.15 VRMS. Но чаще такое можно встретить при указании чувствительности динамиков для автомобилей, где напряжение указано для мощности, кратной 1 Вт и для динамиков с сопротивление 8 Ом чувствительность приводится к напряжению 2.8 VRMS.
  • В целях конспирации, когда надо указать более высокое или наоборот более низкое значение. Примерно, как более привлекательная стоимость пакета сахара, где вместо 1 кг насыпано 900 г и его стоимость получается дешевле, хотя при пересчете на 1 кг это не так. А «невнимательный покупатель» покупает совсем не то, что рассчитывал. «Занижают» значение чувствительности обычно для стран Европы, где сильно пекутся о вреде слуха от громкого прослушивания и соответственно могут «наехать» на производителя за «слишком громкие наушники». А завышают значения там, где надо «обогнать конкурента».

Если встретилось значение чувствительности не к 1 VRMS а другому значению напряжени, то надо перевести это значение в dBV и отнять от указанного. Например, 110 дБ/0.3В SPL = 110 дБ — (-10.45 dBV) = 120.45 дБ/В SPL.

Если встретилось значение к произвольной мощности, то сначала надо значение мощности перевести напряжение.

Например, 95 дБ/0.2мВт SPL при 60 Ом. 0.2 мВт на 60 Ом = 0.1 VRMS или -19 dBV. Соответственно чувствительность наушников будет равна 95 дБ/0.2мВт SPL — (-19 dBV) = 114 дБ/В SPL.

Если делать расчет для чувствительности к мощности, то мощность надо переводить не к dBV, а dBm. 0.2 мВт на 60 Ом = -7 dBm. Соответственно чувствительность наушников будет равна 95 дБ/0.2мВт SPL -(-7 dBm) = 102 дБ/мВт SPL.

Сравнение наушников по громкости

Для того, что бы сравнить уровни громкости двух наушников достаточно напрямую оперировать значениями чувствительности к напряжению. Наушники с чувствительностью 106 дБ/В SPL будут на 4 дБ громче наушников с чувствительностью 102 дБ/В SPL.

При сравнении наушников с чувствительностью к мощности, надо делать поправку на значение сопротивления или пересчитывать чувствительность к напряжению. Сравнивать чувствительность к мощности напрямую можно только в том случае, если у наушников одинаковое сопротивление.

Профессиональное оборудование и соответствующее ПО для регулировки уровня сигнала имеет шкалу уровня в дБ. Таким образом, можно спрогнозировать уровень громкости наушников на примере другой модели. Например, при наличии наушников с чувствительностью 106 дБ/В мы можем понять, насколько по громкости будут тише наушники с чувствительностью 102 дБ/В, понизив уровень громкости на 4 дБ.

Где есть регуляторы громкости с шкалой в децибелах?

В смартфоне на базе ОС Android есть плеер Neutron.

Регулятор расположен во вкладе с эквалайзером.

В ОС Windows регулятор громкости в дБ есть у проигрывателя foobar2000.

Взаимосвязь чувствительности и качества звучания наушников

В контексте различных фраз часто высокая чувствительность к мощности характеризуется как признак высокого качества звучания. На самом деле это следствие работы с источником, а не причина. Для наушников с высокой чувствительностью достаточно маломощного усилителя. Когда мы сравниваем две модели с разной чувствительностью по мощности, то для более чувствительной модели требуется выставить меньший уровень громкости. Усилитель на тихой громкости в большинстве случаев играет более качественно, т.к. отдает меньшую мощность. При подключении наушников с низкой чувствительностью, наоборот необходимо выставить громкость выше и усилитель отдает больше мощности и искажения у усилителя увеличиваются.

Таким образом, с более чувствительными моделями можно получить более высокое качество и это будет следствием более качественной работы усилителя.

Иногда высокая чувствительность является недостатком. Некоторые источники могут иметь высокий фоновый шум (смартфоны, ноутбуки, встроенные звуковые карты в материнсткие платы) и этот шум может быть хорошо слышен. Фоновый шум у источников с цифровой регулировкой уровня сигнала не зависит от регулятора громкости. В таких случаях надо подбирать наушники с низкой чувствительностью.

Именно оптимальное соотношение значения чувствительности наушников и мощности источника является одним из условий качественного звука.

По этому принципу работает on-line сервис сопоставления напряжения с усилителя и определение необходимого значения напряжения для наушников с учетом их чувствительности для получения заданного звукового давления. В упрощенном виде это выражается «звездочками» в таблице упрощенного отчета для чайников и сервисах автоматического подбора наушников и источников.

Материал подготовлен Романом Кузнецовым.

Графики в отчетах протестированных продуктов на сайте RAA не всем понятны. Общие описания характеристик в интернете зачастую составлены SEO-копирайтерами, перепечатывающие информацию со справочников и учебников. При таком теоретическом подходе данные существенно искажаются или являются излишне поверхностными. В этом разделе F.A.Q. характеристики рассматриваются с практической точки зрения.

Кузнецов Роман
Основатель RAA

FAQ — Часто задаваемые вопросы по осциллографам

Часто задаваемые вопросы по осциллографам - подробные ответы от Суперайс

Осциллографы предназначены для решения широкого спектра задач по фиксации, а также анализу электрических сигналов. Профессионалов сложно удивить функционалом современного осциллографа. Однако люди, ни разу не сталкивающиеся или имеющие малый опыт использования этого прибора, часто обращаются к нам за консультацией по целому ряду вопросов.

В этой статье мы постараемся ответить на часто задаваемые вами вопросы. Рассмотрим особенности конструкции, функционала и использования этих устройств.

Время чтения: 18 минут

Общие вопросы

  • Общие вопросы об осциллографах
    • Что такое осциллограф
    • Как классифицируются осциллографы
    • Что показывает осциллограф
    • Прецизионный осциллограф, что это значит?
    • Что такое электронный осциллограф?
    • Какой осциллограф выбрать?
    • Осциллограф для диагностики автомобиля
    • Что можно измерить осциллографом?
    • Как проверить с помощью осциллографа электронные компоненты?
    • Для чего нужен осциллограф Постоловского?
    • Автодиагностика и осциллограф
    • Как настроить осциллограф?
    • Назначение генератора сигналов
    • Что такое опорная частота?
    • Полоса пропускания осциллографа
    • Синхронизация в осциллографе
    • Какие режимы синхронизации запуска существуют?
    • Режимы триггера в осциллографе
    • Что такое развертка?
    • Что называется, чувствительностью осциллографа?
    • Дискретизация осциллографа
    • Чем важно время нарастания импульса?
    • Что такое глубина записи?
    • Назначение аттенюатора
    • Можно ли заменить пробник обычным проводом?
    • Что учесть при выборе пробника?
    • Сокращения и обозначения у осциллографов
    • Заключение

    Осциллограф, что это?

    Это прибор, предназначенный для регистрации электрических сигналов. В зависимости от встроенного функционала эти устройства могут как просто визуализировать регистрируемые импульсы, так и способны к определению его различных параметров. В электронике эти приборы применяются для ремонта, диагностики и наладки схем и компонентов.

    Классификация

    Наиболее часто встречающийся вопрос – это какой осциллограф выбрать или купить? В первую очередь стоит посмотреть на их классификацию. Условно эти устройства можно разделить по таким признакам, как:

    1. Тип исполнения:

    • настольные – предназначены для эксплуатации в закрытых отапливаемых помещениях (ремонтные мастерские, лаборатории). Они не ограниченны в размерах, могут иметь несколько входных каналов и различные дополнительные функции.
    • USB приставки – так как не имеют собственного дисплея, то используются только в сочетании с ноутбуком или компьютером (ПК). Область применения у них та же, что и у настольных моделей. Однако использование ПК в качестве устройства анализа и математической обработки позволяет расширить их функционал.
    • портативные – снабжены герметичным корпусом и автономным источником питания (аккумулятор или другие элементы питания). Эта особенность позволяет эксплуатировать их на открытом воздухе в широком температурном диапазоне. Чаще их функционал несколько ограничен из-за размеров и особенностей питания.
    • конструкторы – предназначены для самостоятельной сборки и настройки, вследствие чего обладают наихудшими претензионными характеристиками и функционалом. Используются в учебных целях или начальном этапе практики работы.
    • мотор-тестеры – специализированный инструмент диагностики автомобилей. Конструктивно ближе к USB приставкам, но снабжен специализированными разъемами, датчиками, а также диагностическим программным обеспечением.

    2. Тип и число входных каналов:

    • только аналоговые (от 1 до 4 каналов);
    • аналоговые и цифровые (8 или 16 цифровых каналов).

    3. Основные характеристики:

    • полоса пропускания;
    • частота дискретизации;
    • время нарастания;
    • глубина памяти;
    • функционал автоматических измерений.

    4. Наличие дополнительного встроенного функционала:

    • генератор импульсов;
    • логический анализатор;
    • анализатор спектра;
    • анализатор протоколов данных.

    Экран

    На экране устройства отображается принятый устройством импульс – осциллограмма. При наличии нескольких каналов можно отслеживать соответствующее число импульсов, а также выполнять их анализ и математическую обработку.

    Экран четырёхканального осциллографа

    Снимки экрана цифрового четырехканального осциллографа Hantek DSO4254B.

    Что означает — прецизионный?

    Прецизионный — значит высокоточный, выполненный с соблюдением высокой точности параметров или обладающий высокой точностью. Практически все современные цифровые осциллографы можно назвать прецизионными.

    Электронный осциллограф

    Первые созданные устройства регистрировали сигнал на бумажной ленте, как самописец. В следующих моделях запись осуществлялась уже на чувствительную к свету пленку. Электронными же их стали называть за использование электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в качестве экрана, а также за то, что они создавались на базе электронных компонентов. Поэтому можно любой из ныне существующих устройств назвать электронным, так как в них также используются электронные компоненты.

    С развитием микроэлектроники техники пришла цифровая обработка сигналов, а на смену ЭЛТ экранам – жидкокристаллические (ЖК). В настоящее время их уже называют не электронными, а используют термин – цифровой.

    Цифровой или аналоговый?

    Аналоговые устройства (электронно-лучевые) практически полностью вытеснены их цифровыми моделями. Однако для отображения реальной формы сигнала, а также регистрации меняющихся с высокой частотой сигналов, аналоговые приборы все же остаются незаменимыми.

    Виды осциллографов

    Виды осциллографов: цифровой Atten (Gratten) GA1102CAL (а) и аналоговый С1-82 (б).

    Однако в большинстве случаев все же приходится работать с цифровыми импульсами, а также сигналами типовых форм, и здесь преимущество именно за цифровыми устройствами. Они обладают:

    • высокой точностью выполняемых измерений;
    • большой полосой пропускания;
    • возможностью автоматического анализа и декодирования;
    • возможностью обработки (сложение, вычитание, преобразование Фурье и др.);
    • возможностью хранения и передачи;
    • компактностью;
    • автономностью (некоторые модели).

    Основной недостаток цифровых приборов – их высокая стоимость.

    Осциллограф в диагностике автомобиля?

    Обычным устройством можно регистрировать импульсы датчиков положения коленвала, распредвала, расходомера, генератора, катушек зажигания, работу форсунок, а также другие сигналы систем автомобиля. При наличии встроенного логического анализатора можно отслеживать работу и взаимодействие электронных блоков управления автомобиля.

    Однако при оценке исследуемых сигналов необходимы знания о эталонной форме и частоте регистрируемых импульсов, а также сведений о работе и взаимодействии всех элементов автомобиля. Поэтому без специальных знаний и навыков выявить неисправность будет сложно.

    Для диагностики автомобильной электроники чаще используют специальные устройства – мотор-тестеры. Они обладают профессиональным ПО анализирующим регистрируемые данные.

    Измерения, выполняемые осциллографом?

    Аналоговые устройства позволяют измерить параметры принимаемого сигнала только примерно. Это связано с тем, что измерения на них можно выполнить только визуально по сетке, размещенной на экране.

    Изображение осциллографа

    Пример изображения осциллограммы на экране аналогово прибора.

    С учетом коэффициентов развертки и усиления на аналоговых устройствах можно определить только:

    • амплитуду сигнала и его размах;
    • частоту колебаний;
    • длительность импульса;
    • наличие дефектов в импульсе;
    • выполнение сложения двух сигналов.

    Цифровые приборы имеют больше вспомогательных функций. Помимо четкого изображения, они способны на автоматические вычисления большинства параметров принимаемого сигнала. Таких, например, как:

    Изображение осциллографа

    • период;
    • частота;
    • длительность положительного и отрицательного импульсов;
    • длительность фронта;
    • длительность спада;
    • максимум, минимум и размах сигнала;
    • среднее значение напряжения;
    • среднеквадратичное значение напряжения;
    • среднеквадратичное значение за период и по курсору;
    • скважность, фазу, задержку импульса.

    Снимок экрана с синусоидальным сигналом цифрового осциллографа RIGOL DS1102E.

    Также на цифровых устройствах можно выполнять различные курсорные измерения такие, как:

    • определение разности напряжений между курсорами;
    • определение разницы во времени между курсорами;
    • выполнение трассировки напряжения;
    • определение времени по точкам сигнала 1/ΔT.

    Что можно проверить осциллографом?

    В первую очередь прибор предназначен для анализа параметров сигналов в электрических схемах. Его можно использовать для:

    • определения формы сигнала;
    • определения временных характеристик;
    • определения амплитудных характеристик;
    • сравнения сигналов;
    • определения фазового сдвига;
    • определения корректности работы элементов схемы;
    • проверки работы ШИМ-контроллеров и микроконтроллеров.

    Также его можно использовать для проверки целостности, а также соответствия параметров резисторов, конденсаторов, дросселей и других полупроводниковых элементов. Однако для этого требуется специальная приставка – характериограф. В настоящее время такой способ измерения мало актуален. Удобнее и проще воспользоваться доступными устройствами для проверки элементной базы такими, например, как: мультиметры, ESR и RLC-тестеры.

    Характериограф схема

    Схема характериографа и осциллограммы испытания различных электронных компонентов.

    Назначение осциллографа Постоловского?

    Прибор, созданный Постоловским — это специальный автомобильный диагностический прибор, разновидность мотортестеров. Он предназначен для расширенной диагностики автомобильной электроники. Основной функционал этого устройства включает функции:

    • аналогового и цифрового осциллографа;
    • диагностики систем: зажигания и газораспределения;
    • запись и автоматический анализ принимаемых сигналов средствами программного обеспечения.

    Устройство изготавливается в виде приставки с возможностью подключения к компьютеру. Комплектуется специализированными датчиками и пробниками для подключения к диагностируемым системам автомобиля.

    Автомобильная диагностика

    Автодиагностический осциллограф отличается от обычного, цифрового, наличием:

    • автономности работы (питание осуществляется от бортовой сети автомобиля);
    • до 4 аналоговых каналов;
    • до 16 цифровых каналов;
    • высокой полосы пропускания (не менее 60…100 МГц);
    • высокой частоты дискретизации (не менее 100…200 Мвыб/с);
    • арифметических функций;
    • функции быстрого преобразования Фурье;
    • функции декодирования цифровых сигналов;
    • высокого объема встроенной памяти;
    • специального программного обеспечения для анализа принимаемых сигналов;
    • специальных щупов и датчиков.

    Вопросы по функционалу

    Калибровка прибора

    Перед первым использованием, а также смене щупов и пробников требуется их обязательная калибровка. Эта операция позволяет скомпенсировать погрешность, вносимую щупом, за счет собственного сопротивления. Для выполнения операции калибровки используется встроенный генератор сигналов. В устройствах, где нет генератора сигналов, организован специальный тестовый выход на опорной частоте. Используемый для калибровки сигнал имеет прямоугольную форму – форму меандра.

    Генератор сигналов

    Генератор в осциллографе способен выдавать импульсы различной формы, периодичности и амплитуды. Они используются в качестве управляющих для подачи на электронные компоненты и блоки различных схем при их диагностике. На выходе генератора можно получит импульсы простых и сложных форм:

    • простые: синусоидальные, прямоугольные, треугольные, пилообразные;
    • сложные: аналоговые, цифровые с ШИМ и КИМ, кодированные, псевдослучайные.

    Опорная частота

    Опорная частота – это минимальная частота сигнала, регистрируемая прибором без ослабления. Обычно она составляет 1 кГц, но не более 1/20 от полосы пропускания. Относительно опорной частоты осуществляется определение полосы пропускания устройства.

    Полоса пропускания

    Полоса пропускания отражает диапазон частот, в котором ослабление регистрируемого сигнала не превышает -3 дБ относительно величины сигнала на опорной частоте.

    Принимаемые импульсы могут иметь частоту колебаний от нескольких герц до нескольких сотен мегагерц. Поэтому диапазон регистрируемых с минимальными искажениями частот, очень важен при выборе прибора.

    Синхронизация

    Синхронизация – это функция формирования статичного изображения одного или нескольких импульсов периодического сигнала. Синхронизация осуществляется по уровню напряжения при его нарастании (по фронту) или при снижении (по спаду) или другим параметрам (триггерам).

    Можно выделить два вида синхронизации: внешнюю и внутреннюю.

    Внешняя синхронизация осуществляется по периодическому сигналу, получаемому из вне. Это может быть и сетевое напряжение или внешний генератор.

    Внутренняя – осуществляется по сигналам внутреннего генератора прибора.

    Режимы синхронизации запуска

    Режим синхронизации запуска или режим триггера (Trigger mode) определяет порядок начала сбора данных о принимаемом импульсе. Существует три режима синхронизации:

    • однократный режим (single) – регистрация импульса начинается при возникновении выбранного события. Регистрация не перезапускается по окончании сбора данных;
    • ждущий режим (normal) – регистрация импульса начинается при возникновении выбранного события. Регистрация перезапускается по окончании сбора данных;
    • автоматический режим (auto) – регистрация импульса начинается вне зависимости от возникающих событий. Регистрация перезапускается по окончании сбора данных.

    Режимы триггера

    Триггер – это условие, при выполнении которого начинается сбор и отображение данных принимаемого импульса. Триггер позволяет зарегистрировать определенное периодическое или одиночное событие. У моделей с минимальным функционалом присутствуют триггеры, реагирующие только на фронт импульса.

    Более продвинутые модели могут иметь следующие триггеры запуска:

    • перепад за перепадом;
    • по N-ному фронту серии;
    • по видеосигналу;
    • по времени нарастания или спада;
    • по выделенной зоне;
    • по длительности импульса;
    • по кодовому слову;
    • по укороченному импульсу;
    • по условию ИЛИ;
    • по установке и удержанию;
    • по фронту сигнала;
    • последовательный.

    Развертка

    Развертка – это диапазон разрешения отображаемого на экране прибора сигнала. Выделяют вертикальную развертку, измеряемую в вольтах на деление, и коэффициент горизонтальной развертки измеряемый в секундах на деление.

    Чувствительность

    Чувствительность — это предельная регистрируемая амплитуда принимаемого сигнала. В электронно-лучевых приборах она измеряется в вольтах на миллиметр (В/мм), в цифровых – в вольтах на деление (В/дел). Чувствительность характеризуется верхним и нижним пределами.

    Дискретизация

    Частота дискретизации — это частота с которой происходит запись или сэмплирование регистрируемого импульса. В аналоговых приборах она измеряется в герцах, а в цифровых в выборках за секунду (Выб/с). Чем выше частота дискретизации, тем достовернее будет воспроизведена форма принятого импульса. Поэтому в цифровых устройствах этот показатель составляет миллионы или миллиарды выборок в секунду.

    Время нарастания

    Характеристика, отражающая время, за которое уровень импульса меняется от низкого опорного значения до высокого опорного значения – называется временем нарастания сигнала. Чем этот показатель меньше – тем достовернее будут отображаться нарастания и спады регистрируемых импульсов.

    Глубина записи

    Глубина записи — это показатель устройства, отражающий объем памяти выделяемый для записи выборок регистрируемого сигнала. Глубина измеряется в байтах. Она может составлять от нескольких килобайт до десятков мегабайт. Чем этот показатель выше – тем подробнее может быть исследован принимаемый сигнал.

    Аттенюатор

    Аттенюатор — это устройство, предназначенное для дополнительного ослабления исследуемого сигнала. Их часто применяют для исследования напряжения первичной цепи системы зажигания, где амплитуда импульсов значительно превышает максимальное входное напряжение регистрирующего устройства.

    Аттентюатор

    Аттенюатор Hantek HT201 (20:1).

    Пробник или обычный провод?

    Пробник или просто щуп – это специальный инструмент, предназначенный для передачи регистрируемых сигналов с минимальными искажениями. Если использовать обычный провод в качестве пробника, то с высокой долей вероятности вы получите не верную картину принимаемого сигнала. Причины этого – наводимые в кабеле помехи от другого электрического оборудования. Также материал, используемый для обычных проводников, имеет низкое качество и однородность. Это также ухудшает качество сигнала и значительно ослабляет его.

    Сам пробник состоит из кабеля с BNC разъемом, а также держателя с щупом. Кабель имеет внешнюю оплетку для экранирования передаваемого импульса от внешних помех. Его внутренняя жила имеет небольшой диаметр. Это позволяет снизить собственную емкость кабеля. На конце держателя размещен контакт в виде иглы или крючка. Игольчатые контакты часто выполнятся пружинящими, для предотвращения повреждения дорожки или контакта. В самом держателе или у BNC разъема, размечается схема компенсации с отверстием под регулировку подстрочного конденсатора.

    Также пробники часто снабжаются делителем напряжения от 10Х до 1000Х. Это позволяет расширить диапазон регистрируемых напряжений.

    Hantek пробник

    Пробник с делителем Hantek T3100 (1:100, 100МГц)

    Характеристики пробников и аттенюаторов

    Характеристики, которыми обладают эти устройства, оказывают прямое влияние на качество передаваемого импульса. При их выборе обязательно учитываются как собственные характеристики, так и характеристики используемого с ними прибора.

    К важнейшим характеристикам пробников, а также аттенюаторов можно отнести:

    • коэффициент ослабления;
    • полосу пропускания;
    • входную ёмкость;
    • входное сопротивление;
    • максимальное входное сопротивление.

    К второстепенным характеристикам относятся:

    • размеры;
    • вес;
    • условия эксплуатации.

    Используемые условные сокращения

    Если у настольных устройств за счет большого экрана практически отсутствуют сокращения слов, то с портативными моделями дела обстоят сложнее. Экраны небольшого размера не позволяют четко описать отображаемую характеристику. Поэтому в таких приборах используют ряд общепринятых сокращений. При этом различные производители могут использовать разные варианты сокращений. Далее приводятся основные общепринятые сокращения.

    Обозначение входа или номер входного канала

    Расчет и оптимизация RC-демпфера для симистора

    Симистор (Triac) представляет собой разновидность тиристора. Однако в отличие от тиристора симистор может пропускать переменный ток, поэтому симисторы давно нашли широкое применение в качестве коммутаторов и регуляторов переменного тока в различной аппаратуре бытового и промышленного назначения. В отличие от электромагнитных реле, которые используются для похожих целей, симисторы обеспечивает большую надежность, быстродействие, а также меньший уровень помех, генерируемых при коммутации (открытие/закрытие). Благодаря своим превосходным характеристикам симисторы практически вытеснили электромагнитные реле во многих применениях. В немалой степени этому способствует регулярное снижение цен на данные компоненты.

    Параметры симистора

    Обычно симисторы используются для коммутации различных нагрузок, подключенных к сети переменного тока частотой 50 или 60 Гц. В дальнейшем будет рассматриваться именно этот случай применения симистора. Условное схемное обозначение симистора (рис. 1) получено путем совмещения двух встречно-параллельно включенных тиристоров, имеющих общий управляющий электрод.

    Условное схемное обозначение симистора: G — управляющий электрод (затвор); A1 — анод 1 или основной вывод 1 (Main Terminal 1 – MT1); A2 — анод 2 или основной вывод 2 (Main Terminal 2 – MT2)

    Рис. 1. Условное схемное обозначение симистора:
    G — управляющий электрод (затвор);
    A1 — анод 1 или основной вывод 1 (Main Terminal 1 – MT1);
    A2 — анод 2 или основной вывод 2 (Main Terminal 2 – MT2)

    В отличие от тиристора симистор является ключом переменного тока и может проводить ток в обоих направлениях. Поэтому его можно рассматривать как полупроводниковый прибор, который может быть переключен из закрытого состояния в открытое и наоборот при любой полярности на основных выводах [1].

    Для того чтобы симистор работал долго и надежно, необходимо обеспечить ряд условий. В первую очередь речь идет об очевидных параметрах, ограничивающих максимальные режимы эксплуатации:

    • IT(RMS) — максимальный действующий ток в открытом состоянии, А;
    • ITSM — максимальный импульсный (неповторяющийся) ток в открытом состоянии, А;
    • dI/dt — критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии, А/мкс;
    • VDRM/VRRM — максимальное повторяющееся напряжение, приложенное к симистору в закрытом состоянии, В;
    • VDSM/VRSM — максимальное импульсное (неповторяющееся) напряжение, приложенное к симистору в закрытом состоянии, В;
    • IGM — максимальный ток затвора (управляющего электрода), А;
    • PG(AV) — средняя мощность, рассеиваемая в затворе (управляющем электроде), Вт;
    • Tj — максимальная рабочая температура кристалла, °

    Превышение любого из вышеперечисленных параметров может привести к необратимому повреждению симистора.

    Кроме уже перечисленных, надо учитывать ряд не менее важных параметров симистора, от которых зависит надежность процесса коммутации (переключения) электронного прибора из закрытого состояния в открытое и обратно:

    • IGT — открывающий постоянный ток управления, мА;
    • IL — ток включения, мА;
    • IH — ток удержания, мА;
    • (dV/dt)cr — критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии, В/мкс;
    • (dV/dt)c –—критическая скорость нарастания коммутационного напряжения, В/мкс;
    • (dI/dt)c — скорость снижения тока в открытом состоянии, А/мс.

    Игнорирование этих параметров может привести к тому, что симистор не откроется в нужный момент либо откроется самопроизвольно в тот момент, когда это абсолютно не ожидается.

    Применение RC-демпфера

    Перечислим основные проблемы, связанные с коммутацией симистора [2, 3]:

    • повторное самопроизвольное открытие симистора при смене полярности тока;
    • самопроизвольное открытие симистора при быстром нарастании напряжения;
    • самопроизвольное открытие или повреждение симистора при кратковременном превышении максимального напряжения;

    Рассмотрим подробнее причины возникновения перечисленных проблем, а также способов их преодоления.

    Повторное самопроизвольное открытие симистора

    Обычно симисторы используются для коммутации (включения/выключения) различных нагрузок в промышленных или бытовых сетях переменного тока. Когда симистор открыт и через него протекает ток, то в соответствующей области его полупроводниковой структуры накапливается избыточный заряд. Этот заряд исчезает за счет рекомбинации при уменьшении рабочего тока. Если убрать ток управления и затем достаточно медленно снижать рабочий ток, то избыточный заряд успеет рекомбинировать, а симистор перейдет в закрытое состояние после того, как рабочий ток достигнет уровня удержания IH. При быстром снижении рабочего тока избыточный заряд может не успеть рекомбинировать. В этом случае, после смены полярности напряжения, через симистор будет протекать ток восстановления, вызванный процессом рассасывания избыточного заряда. Если при этом скорость нарастания обратного напряжения не превысит критического значения (dV/dt)c, то симистор останется закрытым (рис. 2а). В противном случае симистор может самопроизвольно перейти в открытое состояние (рис. 2б) [1, 3].

    Отключение симистора при индуктивной нагрузке

    Рис. 2. Отключение симистора при индуктивной нагрузке:
    а) нормальное отключение;
    б) отключение с повторным включением

    Параметры (dV/dt)c и (dI/dt)c имеют взаимную функциональную зависимость. Чем выше критическое значение скорости нарастания коммутационного напряжения (dV/dt)c, тем ниже должна быть скорость снижения тока (dI/dt)c. Иногда в справочных данных производители приводят график зависимости скорости снижения тока от критической скорости нарастания коммутационного напряжения. Для примера на рис. 3 приведен график такой зависимости для симисторов T405, T410, T435 производства фирмы ST [4].

    Типовая зависимость скорости снижения тока от критической скорости нарастания напряжения (dV/dt)cдля симисторов T405, T410, T435

    Рис. 3. Типовая зависимость скорости снижения тока от критической скорости нарастания напряжения (dV/dt)cдля симисторов T405, T410, T435

    Примечание. На рис. 3 значение скорости снижения тока указывается относительно значения (dI/dt)c, соответствующего скорости нарастания коммутационного напряжения (dV/dt)c = 10 В/мкс.

    Если через симистор протекает переменный действующий ток IRMS синусоидальной формы, то скорость снижения тока можно найти по формуле (А/с):

    di/dt = 2p×f×IRMS×√2, (1)

    где f — частота тока, Гц.

    Активная нагрузка

    На рис. 4 изображен результат моделирования в программе LTspice процесса коммутации активной нагрузки симистором типа T405-600. Здесь графики напряжения сети V(vn), напряжения на симисторе V(vt) и тока нагрузки I(Rload) отмечены красным, зеленым и синим цветом соответственно.

    Моделирование коммутации активной нагрузки симистором T405-600

    Рис. 4. Моделирование коммутации активной нагрузки симистором T405-600

    В качестве активной нагрузки может выступать любой электропотребитель, обладающий активным сопротивлением. Например, это может быть электронагреватель, лампочка накаливания и т. п.

    В течение времени пока симистор открыт через сопротивление нагрузки Rload протекает ток I(Rload), совпадающий по фазе с напряжением сети V(vn). После снятия тока управления и снижения тока нагрузки до нуля симистор закрывается. Так как напряжение сети совпадает по фазе с током нагрузки, после запирания симистора к нему прикладывается нулевое коммутационное напряжение V(vt), которое затем нарастает. Скорость нарастания коммутационного напряжения можно найти по формуле (В/с):

    dV/dt = 2p×f×VRMS×√2, (2)

    где VRMS — действующее напряжение сети, В.

    Для примера воспользуемся формулами (1, 2) и рассчитаем значения скорости снижения тока и нарастания коммутационного напряжения для симистора T405, коммутирующего активную нагрузку. Нагрузка подключается к бытовой сети переменного тока напряжением VRMS = 220 В и частотой f = 50 Гц. Сопротивление нагрузки обеспечивает протекание через симистор максимального для него тока IRMS = 4 А:

    di/dt = (2p×50×4×√2)/1000 = 1,78 А/мс,

    dV/dt = (2p×50×220×√2)/1 000 000 = 0,098 В/мкс.

    Согласно справочным данным [4], отсутствие повторного открытия симистора гарантируется, если после снижения тока со скоростью 1,8 А/мс критическая скорость нарастания коммутационного напряжения не превышает 0,1 В/мкс. Расчет показывает, что в случае активной нагрузки данное условие соблюдается. Скорость нарастания коммутационного напряжения ниже критического значения не вызывает каких-то опасений с точки зрения повторного включения.

    Активно-индуктивная нагрузка

    Многие широко распространенный нагрузки, такие как обмотка соленоида, обмотка реле, обмотка электродвигателя и т. п., имеют активно-индуктивный характер. На рис. 5 изображен результат моделирования в программе LTspice процесса коммутации активно-индуктивной нагрузки симистором типа T405-600. Здесь графики напряжения сети V(vn), напряжения на симисторе V(vt) и тока нагрузки I(Rload) отмечены красным, зеленым и синим цветом соответственно.

    Моделирование коммутации активно-индуктивной нагрузки симистором T405-600

    Рис. 5. Моделирование коммутации активно-индуктивной нагрузки симистором T405-600

    Примечание. В реальности не существует цепей, обладающих чисто активным, индуктивным или емкостным сопротивлением. Всегда можно говорить лишь о преобладании какого-либо одного или нескольких видов сопротивления. При этом другие виды присутствуют в качестве незначительных паразитных составляющих.

    При активно-индуктивной нагрузке между напряжением, приложенным к нагрузке, и током, протекающем в ней, имеется фазовый сдвиг. Этот фазовый сдвиг может достигать 90° в случае чисто индуктивной нагрузки. Если известны величины активной R и индуктивной L составляющих нагрузки, то фазовый сдвиг можно найти по формуле:

    J = arctg(2p×f×L)/R. (3)

    Наличие фазового сдвига означает, что после запирания симистора к нему сразу будет приложено некоторое напряжение смещения VS. Величину напряжения смещения можно рассчитать по формуле (В):

    VS = VRMS√2sinj. (4)

    Моделирование показывает (рис. 5), что к закрытому симистору кратковременно прикладывается напряжение, превышающее уровень VS. Этот выброс происходит за счет энергии, накопленной в индуктивности нагрузки Lload в процессе запирания симистора. Моделирование показывает, что импульс напряжения нарастает со скоростью 650 В/мкс и имеет амплитуду 550 В. Благодаря высокой скорости нарастания коммутационного напряжения реальный симистор будет гарантированно открыт повторно.

    Повторное открытие симистора можно предотвратить с помощью вспомогательной цепи, состоящей из последовательно включенных конденсатора CS и резистора RS. Эта вспомогательная цепь включается параллельно симистору (рис. 6) и называется демпферной RC-цепочкой. Демпферная цепь позволяет снизить скорость нарастания коммутационного напряжения. В современной технической литературе демпферную RC-цепочку часто называют RC-снаббером (snubber), или просто снаббером.

    Использование RC-демпфера совместно с симистором

    Рис. 6. Использование RC-демпфера совместно с симистором

    Длительность коммутации симистора на несколько порядков меньше длительности периода колебания в сети переменного тока частотой 50 или 60 Гц. Это позволяет упростить расчет RC-демпфера, считая, что напряжение сети неизменно и равно по величине напряжению смещения VS. В этом случае минимальную емкость конденсатора (Ф) демпфера можно рассчитать по формуле:

    CS ≥ 1/L(VS/(dV/dt))2. (5)

    Конденсатор демпфера CS, вместе с индуктивностью нагрузки Lload, создает колебательный контур, в котором после закрытия симистора могут возникать высокочастотные затухающие колебания. Однако во время этих колебаний скорость изменения напряжения не превышает критического значения, и поэтому симистор останется закрытым. Несмотря на это, за счет колебательного процесса к симистору прикладывается повышенное коммутационное напряжение VM. По своей величине напряжение VM может в 2 раза превысить амплитуду сетевого напряжения. Это требует использования более высоковольтного симистора. Величину VM можно снизить, увеличив потери в колебательном контуре, которые определяются суммарным активным сопротивлением:

    Сопротивление нагрузки Rload не может быть изменено. Поэтому увеличивать потери можно только за счет повышения сопротивления демпферного резистора RS. Критическую величину резистора RS, которая обеспечивает полное подавление колебаний, можно рассчитать по формуле (Ом):

    RS = 2√Lload/CS–Rload. (6)

    При использовании такого резистора пиковая величина коммутационного напряжения VM на тиристоре будет равна напряжению смещения VS. Для меньших значений суммарного сопротивления R максимальную величину коммутационного напряжения можно рассчитать по формуле (В):

    Коэффициент затухания β определяет относительное затухание свободных колебаний в контуре:

    Собственную частоту контура можно рассчитать по формуле (Гц):

    Частота затухающих колебаний определяется формулой (Гц):

    F = √(2pF0)2–b2/2p. (10)

    Период затухающих колебаний определяется формулой (с):

    Самопроизвольное открытие симистора при быстром нарастании напряжения

    В сети постоянно присутствуют импульсные напряжения, вызываемые молниевыми разрядами и процессами коммутации. Вероятные параметры этих импульсных напряжений оговариваются межгосударственным стандартом ГОСТ 32144-2013.

    Быстрые изменения напряжения, приложенные к закрытому симистору, проникая через емкость между анодом (A2) и управляющим электродом (G), могут создавать ток управления, достаточный для его самопроизвольного открытия. Максимальная скорость нарастания внешнего напряжения, которая не вызывает открытия симистора, называется критической скоростью нарастания напряжения (dV/dt)cr.

    Самопроизвольное открытие симистора из-за превышения критической скорости нарастания напряжения (dV/dt)cr не приводит к его повреждению и поэтому не опасно для симистора. Однако подобные ложные срабатывания могут вызывать проблемы с функциональностью оборудования, в котором установлен симистор.

    При использовании RC-демпфера устойчивость симистора к самопроизвольному открытию увеличивается при быстром нарастании напряжения. Причем чем ниже величина резистора RS, тем выше устойчивость.

    Повреждение симистора при кратковременном превышении максимального напряжения

    В ранее перечисленных случаях могут возникнуть условия, когда к симистору, подключенному к сети и имеющему необходимый запас по напряжению, может быть приложено напряжение, превышающее его максимально допустимое. Прежде всего, подобное повышение напряжения может быть вызвано длительными переходными процессами в сети, связанными с естественными или аварийными событиями. Кроме этого, скачки напряжения могут быть получены при коммутации нагрузки, имеющей индуктивную составляющую (активно-индуктивной нагрузки). Если при этом напряжение превысит максимально допустимый уровень VDSM/VRSM, то симистор с большой вероятностью будет необратимо поврежден.

    Как и в предыдущих случаях, использование RC-демпфера увеличивает устойчивость симистора к кратковременным повышениям напряжения. Это объясняется тем, что внешнее импульсное напряжение прикладывается к симистору через делитель напряжения, верхнее плечо которого образует сопротивление нагрузки, а нижнее — резистор RS. Причем чем ниже величина резистора RS, тем выше устойчивость. Однако, ограничивая скорость нарастания напряжения, RC-демпфер увеличивает вероятность его пробоя в случае перенапряжения. Поэтому RC-демпфер нельзя рассматривать как основное средство защиты от повышенного напряжения. Он может в качестве дополнительной меры использоваться совместно с специальным ограничителем напряжения — варистором.

    Выбор минимальной величины сопротивления демпфера

    Поскольку при снижении величины резистора RS устойчивость симистора к скачкам напряжения увеличивается, то логично было бы просто заменить его перемычкой. Однако исключение резистора RS может привести к повреждению симистора при включении. Объясняется это тем, что первоначально при включении симистора основной ток начинает протекать вблизи области управления, а затем область проводимости распространяется на всю площадь структуры. Соответственно, если скорость нарастания тока превысит критическое значения dI/dt, это вызовет локальный перегрев и тепловой пробой полупроводниковой структуры симистора [5]. Основным источником быстро нарастающего тока является RC-демпфер (рис. 6). Если конденсатор демпфера CS заряжен, то после включения симистора он разрядится через последовательно включенные симистор и резистор RS. При этом резистор RS должен иметь достаточно высокое сопротивление, позволяющее ограничить амплитуду и скорость нарастания разрядного тока.

    Примерные минимальные величины резистора RC-демпфера, в зависимости от максимального действующего тока симистора, приведены в таблице 1 [2, 3]. При этом максимальное сопротивление RC-демпфера рассчитывается по формуле (6).

    Номинальное напряжение, В

    Действующее значение тока симистора, А

    1

    45

    90

    180

    450

    900

    1800