Автоматизация технологических процессов в производстве (стр. 31 из 32)
Модуляторы применяются в операционных усилителях аналоговых счетно-решающих устройств, для уменьшения дрейфа нуля на выходе усилителей.
В качестве основного элемента в них используются прерыватели в виде механических, магнитных и электронных устройств. Механическими прерывателями являются вибраторы, электронными – схемы на полупроводниковых приборах и лампах.
Механические электромагнитные вибраторы имеют значительные габариты. Они чувствительны к вибрациям. Магнитные модуляторы на выходе обладают остаточным напряжением; форма кривой их выходного напряжения имеет значительные искажения. В схемах автоматики чаще всего применяются модуляторы на полупроводниковых диодах и транзисторах.
Модуляторы, так же как и ФВЧ, подразделяются на пассивные и активные.
По своей структуре схемы модуляторов аналогичны схемам ФВЧ. Транзисторы в таких схемах могут работать как в усилительном, так и в ключевом режиме.
Схема однополупериодного модулятора на транзисторах, работающих в усилительном режиме, приведена на рис. 12-3. При входном сигнале, равном нулю, в коллекторных цепях транзисторов Т1 и Т2 протекают равные токи, так как при положительной полуволне (плюс на эмиттере) опорного напряжения оба транзистора открыты. Однако токи в трансформаторе Тр2 направлены встречно. В результате на выходе модулятора напряжение равно нулю.
При подаче на вход модулятора постоянного напряжения один из транзисторов, на базу которого будет приложен положительный потенциал, закрывается. В результате в коллекторных цепях транзисторов при положительных полуволнах опорного напряжения будут протекать токи, имеющие разное значение, и, следовательно, на выходе возникает напряжение переменного тока.
Амплитуда этого напряжения будет пропорциональна значению входного сигнала, а фаза – полярности приложенного напряжения.
В данной схеме транзисторы должны быть с идентичными параметрами, так как в противном случае коллекторные токи при отсутствии входного сигнала будут неодинаковы, и на выходе возникнет остаточное напряжение, которое увеличивается при повышении температуры окружающей среды.
Рис.12-3 - Схема однополупериодного модулятора на транзисторах, работающих в усилительном режиме
Назначение магнитных модуляторов
Магнитные модуляторы предназначены для преобразования постоянного напряжения (или тока) в пропорциональное ему переменное напряжение (или ток). Необходимость в таком преобразовании возникает при измерении малых сигналов постоянного тока или напряжения, которые не могут быть непосредственно поданы на измерительные или исполнительные устройства без предварительного усиления. В то же время непосредственное усиление сигналов постоянного тока электронными и полупроводниковыми усилителями имеет серьёзный недостаток – нестабильность нулевого сигнала, так называемый дрейф нуля. В случае преобразования сигнала постоянного тока в переменный можно заменить низкостабильный усилитель постоянного тока высокостабильным усилителем переменного тока.
Для такого преобразования можно использовать и электромеханическое устройство – вибропреобразователь. Однако, наличие у вибропреобразователя периодически размыкающихся и замыкающихся контактов является причиной его сравнительно невысокой надёжности. Так как магнитный модулятор не имеет контактов, т.е. является бесконтактным элементом автоматически, то и надёжность его выше, чем у вибропреобразователя.
По принципу действия и устройству, магнитный модулятор ни чем не отличается от магнитного усилителя. Надо отметить, что бесконтактное преобразование постоянного тока в переменный выполняют и модуляторы других типов, например полупроводниковые (в том числе транзисторные).
По сравнению с полупроводниковыми, отдельные типы магнитных модуляторов имеют лучшую стабильность нуля (особенно при изменении температуры окружающей среды). Так же, как и полупроводниковые, магнитные модуляторы могут выполнять преобразование постоянного напряжения в переменное с одновременным усилением. Магнитные модуляторы простыми способами обеспечивают суммирование большого числа сигналов без необходимости введения гальванической связи между ними. Гальваническая связь заключается в непосредственном соединении электрических цепей. Она порой бывает крайне нежелательной, поскольку приводит к вредному влиянию одного элемента автоматики на другой. Наиболее серьёзный недостаток магнитных модуляторов по сравнению с полупроводниковыми – это большие габариты и вес.
Довольно часто комбинируют магнитный модулятор с полупроводниковым усилителем, т.е. проектируют магнитно-полупроводниковые преобразователи. В этом случае можно получить оптимальное соотношение между такими техническими характеристиками, как точность, чувствительность, коэффициент усиления, вес, габариты, стоимость, надёжность.
Магнитные модуляторы, предназначенные для работы на последующий электронный или полупроводниковый каскад усиления, называют магнитными усилителями напряжения. Различают магнитные модуляторы с выходным переменным током основной и удвоенной частоты.
Магнитные модуляторы с выходным переменным током основной частоты
В качестве магнитного модулятора с выходным переменным током основной частоты (т.е. равной частоте источника питания) можно использовать любую из схем двухтактных магнитных усилителей: дифференциальную, мостовую или трансформаторную.
Выбор между той или иной схемой делается в зависимости от мощности управляющего сигнала и необходимого коэффициента усиления по напряжению.
Очевидно, что наибольший коэффициент усиления можно получить в трансформаторной схеме за счёт выполнения вторичной обмотки с большим числом витков, т.е. как бы с помощью повышающего трансформатора. Однако при этом возникают, прежде всего, чисто технологические трудности с намоткой большого числа витков на небольшом сердечнике маломощного магнитного усиления. А кроме того, останется меньше пространства для размещения обмотки управления. Вообще доказано, что мощность управления Py связана с площадью окна Qy для обмотки управления обратно пропорциональной зависимостью. Чем меньше площадь окна Qy, тем большая потребуется мощность управления для создания необходимой напряжённости магнитного поля в сердечники. Поэтому трансформаторную схему двухтактного магнитного усилителя реально применяют для магнитных модуляторов при Py>10-8 Вт. При меньших значениях Py (до 10-14 Вт) используют мостовую и дифференциальную схемы как более чувствительные.
Для получения необходимого коэффициента усиления по напряжению используется отдельный выходной трансформатор Тр2, как это показано на рис. 1. Для балансировки нуля используется резистор Rр, с движка которого подаётся напряжение на первичную обмотку Тр2. Сопротивление Rр выбирается примерно равным сопротивлению рабочих обмоток ωр.
Рис. 12-4 - Магнитный модулятор с выходным переменным током на частоте питания
Магнитные модуляторы с выходным переменным
током удвоенной частоты
При рассмотрении процессов, проходящих в идеальном магнитном усилителе, отмечалось. Что ток управления можно представить как сумму постоянной и переменной составляющих, причём переменная составляющая изменяется с частотой, вдвое превышающей частоту питания. Если постоянная составляющая обусловлена управляющим сигналом Iy, то переменная составляющая возникает вследствие трансформации тока в цепи нагрузки. Трансформируемая из рабочей обмотки ЭДС двойной частоты имеет фазу, которая при перемене полярности управляющего сигнала меняется на 1800. При снятии управляющего сигнала (Iy = 0) ЭДС двойной частоты является подача входного сигнала на усилитель. Заметим, что какие-либо другие причины (неидентичность сердечников, например) не могут привести к возникновению ЭДС двойной частоты при питании усилителя синусоидальным напряжением.
Эффект появления ЭДС двойной частоты и используется в магнитных модуляторах с выходным переменным током удвоенной частоты (рис. 1).Обмотка управления ωy в схемах таких модуляторов используется как для подачи входного сигнала Uвх, так и для снятия выходного сигнала Uвых. ЭДС двойной частоты выделяется с помощью выходного трансформатора Тр.
Первичная обмотка этого трансформатора может подключаться параллельно обмотке управления ωy (рис. 12-5,а) или последовательно с ней (рис. 12-5,б). В обоих случаях фаза выходного напряжения Uвых изменяется на 1800 при изменении полярности Uвых, т.е. схемы являются реверсивными. В схеме с параллельным соединением обмоток (рис. 1а) постоянный ток не поступает в первичную обмотку выходного (обычно повышающего) трансформатора Тр. Путь постоянной составляющей тока преграждает конденсатор С. Напомним, что ёмкостное сопротивление Xc = 1/(ωC), т.е. для постоянной составляющей (ω = 0) ёмкостное сопротивление стремится к бесконечности. Дроссель L (индуктивное сопротивление XL = ωL) имеет очень малое сопротивление для сигнала постоянного тока, а для тока двойной частоты представляет большое сопротивление. Поэтому дроссель L препятствует прохождению тока двойной частоты через источник входного сигнала (например, датчик). Как правило, стремятся избежать обратного воздействия последующего элемента в системе автоматики на предыдущий (за исключением тех случаев, когда создаются обратные связи специально).