книги / Элементы автоматики и счетно-решающие устройства

Тогда среднее за период входное сопротивление схемы

Uх_Яо(«о + Ry)		Ro+ Ry
ч в х .с р	2 /?о Ry	(2. 11)
^ср

В отличие от схемы рис. 2. 8, а в данной схеме аналогично транс­ форматорной (см. рис. 2. 7) происходит удвоение частоты сетевых наводок в цепи входного сигнала, что значительно уменьшает их влияние при дальнейшем усилении. Для облегчения борьбы с сете­ выми наводками схему рис. 2.8, а желательно модулировать по­

вышенной частотой от отдельного генератора. Это полезно также и с точки зрения меньшей потери информации за нерабочий полупериод модуляции при изменяющемся входном сигнале, когда ча­ стота модуляции должна быть по крайней мере на порядок боль­ ше, чем частота изменения сигнала. В схеме рис. 2.8, б потери информации, как указывалось, нет и для нее частота модуляции принципиально безразлична, хотя практически при использовании дополнительного генератора ее тоже рекомендуется повышать до предела, ограничиваемого частотной характеристикой модулятора. При этом работа усилителя всегда улучшается.

2.1.3. Демодуляторы

Наилучшей характеристикой переключения обладает контакт­ ный модулятор, используемый в качестве демодулятора. На входе усилителя его применяют, если необходима высококачественная мо­ дуляция при очень малом дрейфе нуля, а на выходе усилителя наи­ более желателен бесконтактный модулятор, который по своим характеристикам переключения приближался бы к контактному, но имел бы значительно большую допустимую переключаемую мощность. Такие достоинства контактного модулятора как чрез­ вычайно малый дрейф нуля и высокая стабильность на выходе усилителя уже не имеют столь существенного значения по сравне­ нию с его недостатками — конструктивной сложностью и дорого­ визной, наличием движущихся элементов, инерционность которых ограничивает частоту модуляции (не выше 400 гц), ограниченной

переключаемой мощностью и т. п. Контактный демодулятор со­ всем нецелесообразно применять, если на входе используется бес­ контактный модулятор.

Так как демодулятор работает на исполнительный элемент по­ стоянного тока, то для сглаживания пульсаций сопротивление на­ грузки шунтируют емкостью, для уменьшения величины которой желательно всегда использовать двухполупериодные схемы демо­ дуляции, так как увеличение емкости приводит к соответствующему росту инерционности усилителя. С этой точки зрения наиболее це­

лесообразно усиливать прямоугольный сигнал и питать демоду­ лятор прямоугольным напряжением. Тогда пульсации после демо­ дуляции уменьшаются настолько, что емкость можно убрать совсем и постоянная времени демодулятора практически будет равна нулю.

Типовая схема двухполупериодного демодулятора на элек­ тронных лампах показана на рис. 2. 9, а. Если входной сигнал их отсутствует, то начальные анодные токи (рис. 2. 9, б) iai,o и /аз,о*

протекающие в течение первого полупериода напряжения питания

Рис. 2.9. Двухлолупериодный ламповый демодулятор

только через лампы Л[ и Лз, равны по величине и не создают раз­ ности потенциалов на сопротивлении нагрузки R. То же самое

справедливо в следующий полупериод для начальных анодных токов га2,о и /а4,о ламп Лг и Л4. Если теперь подать на схему сину­ соидальный входной сигнал их, указанный на рисунке мгновенной полярности, то легко определить, что токи t&\ и /32 увеличатся, а токи /аз и 1м уменьшатся, т. е. по сопротивлению нагрузки пойдет ток i, пропорциональный их разности. Если, не меняя мгновенной полярности напряжения питания и, изменить на обратную мгновен­ ную полярность сигнала их, то очевидно, что ток i в сопротивлении

нагрузки изменит свое направление; Так как лампы отпираются только при некотором минимальном напряжении анодного питания,

анодные токи	появляются	только в течение части полупериода
от t\ = (0 to до	ti = я—to to	и т. д.

Подобные схемы достаточно подробно рассмотрены в литера­ туре, поэтому приведем только выражение для коэффициента пе­ редачи схемы:

		----------		£------	— ,	(2.12)
	Ux	л	2/?' + у?( 1 + ^ ;)
где / — величина среднего		тока	в	нагрузке;
Ux — действующая	величина		напряжения сигнала;
ц — статический	коэффициент			усиления	ламп.

Рис. 2.10. Кольцевой диодный демодулятор

Величину емкости, шунтирующей нагрузку для уменьшения пульсаций, обычно подбирают экспериментально.

Схемы демодуляторов на полупроводниковых диодах значи­ тельно проще, чем на электронных лампах. Однако они применя­ ются реже, так как характеризуются бодее низким коэффициентом полезного действия, значительной нестабильностью, более низким коэффициентом передачи и ограниченным (за счет характеристик диодов) уровнем выходного напряжения. Кроме того, из-за отсут­ ствия управляющей сетки работа полупроводникового диода вооб­ ще больше отличается от работы идеального переключателя.

Наиболее распространенная схема кольцевого демодулятора на диодах приведена на рис. 2.10, а. Трансформаторы Tpi и Тр2 не играют принципиальной роли и в некоторых -случаях могут быть заменены активными делителями напряжения. Если Um^>Uxm, то

состояние диодов Д (открыты или закрыты) определяется только мгновенной полярностью напряжения питания и. Так, при мгновен­

ной полярности, указанной на схеме, открыты два верхних диода

и ток, создаваемый входным сигналом их, проходит через оба эти

диода, полуобмотки трансформатора Трг и сопротивление нагруз­ ки R в направлении, указанном сплошными стрелками. Нетрудно

убедиться, что в следующий полупериод, когда закрываются верх­ ние и открываются нижние диоды, ток в нагрузке не изменит (пунктирные стрелки) своего направления. При изменении фазы их на 180° полярность тока в нагрузке изменится в оба полупе-

риода. Таким образом схема работает как двухполупериодный (рис. 2 . 10, 6) фазочувствительный демодулятор.

Для приближенной оценки коэффициента передачи схемы, счи­ тая характеристики диодов идеальными (линейно-ломаными), можно воспользоваться формулой *

I _ 2 / 2		щ
kД Ux	я	R + 2Rn '	(2. 13)
где щ — коэффициент передачи	трансформатора		Трь
/ — величина среднего тока	в сопротивлении		нагрузки R;
Ux — действующее значение	входного сигнала;
Rn — прямое сопротивление	диодов.

Увеличения стабильности и величины выходного напряжения кольцевого диодного демодулятора * можно добиться включением последовательно с диодами Д кремниевых стабилитронов Ст, пока­ занных на рис. 2. 10, а пунктиром. Характеристики диода (/), ста­ билитрона (2) и суммарная вольт-амперная характеристика (3) показаны на рис. 2 . 10, в, где через Е0 обозначено примерное значе­

ние напряжения отпирания цепочки из диода и стабилитрона. При включении в цепь первичной обмотки трансформатора Трг доба­

вочного сопротивления	напряжение питания ит снимаемое с его
вторичной обмотки, по	форме будет близко к прямоугольному.

Действительно, если оно меньше 2Е0, то сопротивление диодного моста велико и падение напряжения на Ra, определяемое холостым ходом трансформатора, мало. При ип>2Е0 сопротивление моста

резко падает, что вызывает резкое увеличение тока в первичной обмотке и падение напряжения на Ra. Таким образом, напряжение ип ограничивается практически на уровне 2Е0 (и'п на рис. 2 . 10, 6 ).

При использовании полупроводниковых триодов, эффективно работающих в ключевом режиме, в ряде случаев можно создать демодулятор с характеристиками переключения, практически иден­ тичными контактному. Наиболее распространенная схема двухполупериодного демодулятора ** приведена на рис. 2. 11. Здесь после­ довательно-встречно включенные триоды Ti—Тг и Тз—Т4 образуют

попарно ключи, отпираемые поочередно коммутирующим напря­

* К.	Б.	К а р а н д е е в , Полупроводниковые выпрямители в измерительной
технике,	изд.	АН УССР, Киев, 1954.
** Ю.	И.	Конев, Полупроводниковые триоды в автоматике, изд. «Совет­
ское радио»,		1960.

жением и. Для уменьшения остаточных обратных токов схема пи­

тается однополярным напряжением через диоды Д. Схема выпол­ няет функции, обратные функциям схемы 2. 6,6, и все соображения

Рис. 2. 11. Двухполупериодный демодулятор на полу­ проводниковых триодах

о ключах на полупроводниковых триодах для модуляторов оста­ ются в силе. Входной трансформатор Tpi в ряде случаев может быть заменен активным делителем. Желательно питать схему на­ пряжением и прямоугольной формы. При этом ее стабильность по­

вышается.

2.2. МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

2.2.1. Принцип действия магнитного усилителя

Магнитным усилителем называется электромагнитное устрой­

ство, использующее зависимость магнитной проницаемости ферро­ магнитных материалов на переменном токе от величины постоян­ ного подмагничивающего магнитного поля для усиления входного сигнала, создающего или изменяющего это подмагничивающее поле.

Магнитный усилитель одновременно преобразует сигнал посто­ янного тока в сигнал переменного тока, что позволяет использовать его в качестве первого каскада электронного усилителя перемен­ ного тока при усилении сигналов постоянного тока.

Магнитные усилители получили широкое распространение в схе­ мах автоматики, что обусловлено рядом их достоинств, к числу ко­ торых следует отнести:

1) отсутствие движущихся частей, т. е. надежность работы

идолговечность;

2)нечувствительность « значительным механическим пере­

грузкам; 3) возможность усиления малых (до 10-12 вт) мощностей;

4) высокий коэффициент передачи, 'значительно больший, чем

уэлектронных усилителей с тем же числом каскадов;

5)возможность усиления малых постоянных сигналов;

6)возможность простого суммирования нескольких сигналов, подаваемых одновременно на вход усилителя; для этого достаточ­ но предусмотреть на входе усилителя соответствующее число управляющих обмоток.

Наиболее существенным недостатком магнитных усилителей является их инерционность, определяемая индуктивностью управ­ ляющей обмотки и доходящая до десятых долей секунды. Наиболее

/_					сильно этот			недостаток			ска­
					зывается при использовании
0 '	—				магнитных усилителей в сле­
и.	I				дящих		системах.			Однако
					в большинстве случаев инер­
0------					ционность магнитных усили­
				телей		укладывается				в допу­
					стимые		пределы, что позво­
Рис. 2.12. Дроссель с подмагничиванием					ляет	использовать				их	во
					многих		схемах		автоматики.
Для уяснения принципа		действия			магнитного			усилителя			рас­
смотрим работу дросселя, изображенного на рис. 2.12. Управ­
ляющая обмотка I дросселя		питается			постоянным				напряжением
входного сигнала U -. Обмотка II питается переменным напряже­
нием U~ через сопротивление нагрузки ZH. Величина переменного
тока	в этой обмотке равна
	=	_>	а	U~- - " = .						(2.14)
	*	V R\+ (<^и + *„)2									'
где R0— сумма активного сопротивления обмотки II и нагрузки;
	со — частота напряжения		U~;
Хв — реактивное сопротивление нагрузки;
Ln — индуктивность обмотки				II, зависящая, как известно, от
	магнитной проницаемости на переменном токе ц~									сталь­
	ного сердечника:
	£ 11=	-	^	-[гн],							( 2
где	wn — число витков обмотки			II;
	5 М— площадь сечения	стального			сердечника;
	/м — длина средней линии			сердечника.

Если обмотка II дросселя питается постоянным по амплитуде синусоидальным напряжением 1/~, то, пренебрегая потерями, можно считать, что магнитный поток и магнитная индукция в дрос­ селе изменяются также синусоидально. Если входной сигнал от­ сутствует, т. е. # _ = 0 , то, как видно из рис. 2.13, а, напряженность

переменного магнитного поля Я ~ пропорциональна величине ин­ дукции В~ (средняя рабочая точка О на кривой намагничивания

материала дросселя). При наличии дополнительного постоянного подмагничивания Я - , создаваемого обмоткой I, средняя рабочая точка N смещается на нелинейный участок кривой намагничивания.

В этом случае при одинаковой амплитуде амплитуда Я ~ резко увеличивается и величина магнитной проницаемости на перемен­ ном токе стального сердеч­ ника

уменьшается.		Примерный			вид
зависимости			от	подмагни-
чивающего	тока		показан		на
рис. 2.13,6. Следовательно, и
индуктивность		Ln		обмотки	II
будет зависеть			(рис. 2.13, в)
от величины			управляющего
(подмагничивающего) постоян­
ного тока /_. Если				переменное		Рис. 2.13. Графики зависимости для
напряжение	£/~		постоянно		по	магнитного усилителя
амплитуде,	то		из	формулы

(2.14) следует, что ток 1~, а значит, и падение напряжения и мощ­

ность в нагрузке зависят от величины /_			(рис. 2.13, г) <
Если	кривая	намагничивания	материала	сердечника

(рис. 2.13, а) обладает большой крутизной линейной части, то при

этом можно значительно изменять напряжение и мощность в на­ грузке за счет небольших изменений величины входного сигнала [/_, т. е. усиливать этот входной сигнал. Этот принцип и использу­ ется в магнитных усилителях.

2.2. 2. Простейший магнитный усилитель

Обмотка II дросселя, изображенного на рис. 2. 12, создает переменный магнитный поток Ф~ в стальном сердечнике. Этот пе­ ременный магнитный поток будет наводить в управляющей обмот­ ке I э. д. с. Если сопротивление управляющей цепи относительно невелико, то эта э. д. с. создает большой ток и вызывает бесполез­ ный расход энергии. Кроме того, искажается входной сигнал £/_ и управлять магнитным усилителем труднее.

Для устранения этого явления простейший магнитный усили­ тель собирается, как показано на рис. 2.14, а, из двух одинаковых

сердечников. При этом обмотка II наматывается на оба сердечни­ ка так, чтобы направления потоков Ф~, создаваемых двумя ее ча­ стями во внутренних сторонах сердечников, были противоположны­ ми. Тогда э. д. с., индуктированные в двух частях обмотки I маг­ нитными потоками Ф~, будут взаимно компенсироваться; следова­

тельно, не будет искажения управляющего сигнала и бесполезного расхода энергии. При наличии управляющего сигнала компенсация не может быть идеальной ввиду появления четных гармоник (в од­ ном сердечнике магнитный поток равен —Ф ~ —Ф_, а в другом + Ф ~—ф _), однако искажением управляющего сигнала и потерями энергии вследствие этого явления практически можно пренебречь.

а)

й)

Рис. 2. 14. Простейшие магнитные усилители

Схема включения двух сердечников, приведенная на рис. 2. 14, б, принципиально не отличается от схемы на рис. 2.14, а, но имеет

одну общую обмотку управления. Два сердечника, показанные на рис. 2. 14, б, можно объединить в один трехстержневой сердеч­

ник с управляющей обмоткой, расположенной на среднем стержне. Конструктивно такой магнитный усилитель получается несколько проще, однако он применяется, как правило, только для усиления относительно мощных сигналов, так как по сравнению с конструк­ цией с двумя сердечниками он характеризуется наличием гистере­ зисной погрешности.

Основным уравнением идеального магнитного усилителя * яв­

ляется равенство магнитодвижущих сил управляющей и выходной обмоток:

	/~ end'll = 4 f - wn==/-'ayi,		(2.16)
	К/
где	— действующее значение тока в выходной		обмотке;
/(/= 1 ,1 1 — коэффициент формы для		синусоидального	напряжения;
	/ _ — постоянная составляющая	тока управляющей обмотки,
	определяемая величиной входного сигнала.

* М. А. Р о з е н б л а т т , Магнитные усилители, Госэнергоиздат, 1963.

Из этого выражения можно найти величину коэффициента передачи магнитного усилителя:

— по току

		ki = д/_				W т	(2.17)
					wт
			Л/_
— по напряжению
А	Д^н _ A/^ ( Z h)				* i	| Z Hl	(2. 18)
У	' Д £ /_		Д / - # !	7 о ц		Л ,
— ПО м о щ н о с т и
	kp	АР „	( А / , ) 2* н		„ 2 ^ 1 \ 2 / ? н		(2.19)
		АР_	(д/_)2/?1			л,
							•

Для управляющей обмотки магнитного усилителя можно соста­ вить следующее уравнение (при внезапном подключении напряже­ ния U -):

U- — и,- + eL— i-R i -f- Wj ^

(2. 20)

Учитывая, что магнитный поток Ф_, создаваемый управляющей об­

моткой, пропорционален			току
		i	— ц-	_	цн	’
		"	R,		*„/?,
это	уравнение можно	записать		в	виде
		т			V	7-	(2-21)
	Здесь постоянная времени х магнитного усилителя вычисляется
по	формуле
				4f		Ri	(2. 22)
			R I		\®и/		’
г д е / = — — частота		напряжения			питания		в г^;
	2л

Яо — общее активное сопротивление выходной цепи в ом.

Следовательно, индуктивность Li управляющей обмотки опре­ деляет инерционность магнитного усилителя, и при внезапно при­ ложенном напряжении U_ входного сигнала напряжение и ток

в нагрузке будут устанавливаться в соответствии с решением урав­ нения (2.21):

uH= U Z „ = kuU ^ \ - e - ‘i') = Uu( \ - e - ‘i'),

(2.23)

где UH— установившееся значение напряжения на нагрузке.

2.2. 3. Двухтактные магнитные усилители

Основными недостатками простых магнитных усилителей, огра­ ничивающими их применение, являются, как видно из рис. 2. 13, а:

— нечувствительность к полярности входного (управляющего) сигнала. Ток /~ в выходной обмотке одинаков как при + /_ , так

ипри —/-;

—при управляющем сигнале, равном нулю, ток в выходной об­

мотке не может быть равен нулю, так как величина индуктивности Ln дросселя не может быть равна бесконечности ни при каких

значениях /-. Следовательно, в выходной обмотке всегда будет какой-то начальный ток.

Рис. 2.15. Дифференциальный магнитный усили­ тель

Указанные недостатки устраняются применением мостовой, трансформаторной и дифференциальной двухтактных схем. Для дифференциальной схемы включения двух простых магнитных уси­ лителей, показанной на рис. 2. 15, ток в нагрузке / ~ = / ~ i—/^,2. При одинаковых параметрах двух половин схемы и отсутствии управляющего сигнала / —i = / —2 начальный ток в нагрузке отсут­

ствует. Однако ток в нагрузке будет равняться нулю и при наличии управляющего сигнала, так как параметры обеих половин схе^ы изменяются при этом одинаково. Для создания разностного тока /~ и чувствительности к полярности управляющего сигнала в диф­ ференциальном магнитном усилителе применяется специальная обмотка III дополнительного постоянного подмагничивания, Соз­ дающая постоянную по величине и направлению напряженность магнитного поля

Я 0=