книги из ГПНТБ / Полонников Д.Е. Электронные усилители автоматических компенсаторов
.pdf1 2 8 |
ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА [ г л . V |
а. |
В х о д н ы е у с т р о й с т в а б е з п р е о б р а з о в а н и я |
си г н а л а
Вусилителях без преобразования сигнала, для уменьше ния сдвига и дрейфа нуля входной каскад (часто и после дующие) строится по балансным или мостовым схемам. Наи
большее распространение |
получили |
схемы |
с однотактным |
|
(или несимметричным) входом. |
На |
рис. 54 |
приведены две |
|
параллельно-балансные (рис. |
54 |
а, б) |
и одна последовательно- |
Рис. 54. Параллельно-балансный каскад с двухтактным выходом (а) с однотактным выходом (б), последовательно-балансный каскад (в).
балансная (рис. 54, в) схемы. При соответствующем выборе параметров и строго идентичных характеристиках обеих ламп эти схемы позволяют избежать сдвига нуля при изменении питающего напряжения. Однако практически параметры ламп всегда отличаются друг от друга и неодинаково изменяются
во |
времени. Это |
приводит |
к тому, что появляется некото |
|
рая |
зависимость |
сдвига |
нуля |
от питающего напряжения. |
Но |
даже при строго стабильном |
питающем напряжении, не |
изменных окружающих условиях и компенсации сдвига наблюдается дрейф нуля, вызванный неодинаковым старением катодов и изменением контактных э. д. с. между электро дами ламп. При стабильных источниках питания и специально подобранных лампах дрейф нуля (за час наблюдения) в луч
шем |
случае |
удается |
снизить до |
0,2 -4-1 мв. Но в течение |
длительного |
времени |
(несколько |
суток) он достигает десят |
|
ков |
милливольт. Несколько лучший результат дает мосто |
|||
вая |
схема |
(рис. 55), |
в которой |
удается скомпенсировать |
изменение эмиссии благодаря использованию общего источ ника эмиссии для первой сетки и анода. Последняя схема
§ 1 5 ] СХЕМЫ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ УСИЛИТЕЛЕЙ 1 2 9
получила сравнительно широкое распространение при из
мерении малых |
токов с |
использованием электрометриче |
ских ламп. |
|
|
Существует |
ряд других |
модификаций схем входных це |
пей усилителей постоянного тока без преобразования сигнала. Все они, как и приведенные выше, требуют стабильных источников питания и обладают значительным дрейфом нуля, что делает их мало пригодными для усилителей автокомпен саторов, которые должны быть просты и не требовать уста
новки |
нуля в течение длительного времени, а также при |
|||||
смене ламп. |
Кроме того, как |
уже |
+t-aO |
|||
отмечалось |
ранее, в автокомпен |
|||||
|
||||||
саторах выгодно применять асин |
|
|||||
хронные двухфазные двигатели, а |
|
|||||
это также приводит к необходи |
|
|||||
мости преобразования сигнала по |
|
|||||
стоянного тока |
в огибающую |
пе |
|
|||
ременного. По перечисленным при |
|
|||||
чинам |
входные |
устройства |
без |
|
||
преобразования сигнала в насто |
|
|||||
ящее |
время |
в |
автокомпенсаторах |
|
||
применяются крайне редко. Чаще |
|
|||||
они используются при измерениях |
Рис. 55. Входной каскад по |
|||||
малых |
токов |
(в электрометрии). |
мостовой схеме с электроме |
|||
Иногда усилители без преобразо |
трической лампой. |
вания используются в быстродей ствующих автокомпенсаторах, поскольку с ними удается обе
спечить |
меньшую инерционность. Однако во |
всех случаях, |
|
когда требуется напряжение трогания |
менее |
100 мв, в при |
|
боре должны быть предусмотрены: |
возможность установки |
||
нуля и стабильные источники питания. |
|
|
|
б. |
В х о д н ы е у с т р о й с т в а с м а г н и т н ы м |
||
|
м о д у л я т о р о м |
|
|
Для преобразования постоянного напряжения в переменное могут быть использованы магнитные модуляторы. Магнитные модуляторы имеют ряд достоинств: высокую степень надеж ности, большой срок службы, отсутствие подвижных частей, возможность работы при больших ускорениях и вибрациях, возможность разделения входных цепей и суммирование
130 в х о д н ы е у с т р о й с т в а у с и л и т е л е й постоянного т о к а [ г л . V
на входе большого числа сигналов, высокий передаточный коэффициент. Передаточным коэффициентом входной цепи усилителя постоянного тока с преобразованием сигнала бу дем называть отношение выходного эффективного напряжения
Рис. 56. Двухтактный магнитный модулятор по дифференциальной схеме.
первой гармоники к входному постоянному напряжению. В дальнейшем будем пользоваться модулем передаточного коэффициента К„ и его фазой ср, которая определяет фазо вый сдвиг первой гармоники выходного напряжения относи тельно фазы коммутации преобразователя.
На рис. 56 представлен двухтактный магнитный модуля тор, работающий по дифференциальной схеме *). Когда вход ной сигнал равен нулю, постоянные магнитные потоки,' созда ваемые начальным смещением (£/см), в обеих парах сердеч ников равны, вследствие чего равны между собой эквива
лентные сопротивления |
плеч, образованные обмотками Wu |
и Wa, Wt. В этом случае при полной симметрии сердеч |
|
ников и обмоток первая |
гармоника с/пых , выходного напря |
жения равна нулю. Когда подается входной сигнал, постоян ные магнитные потоки, создаваемые смещением и сигналом,
*) Рис. 56, 57, 58 заимствованы из книги М. А. Розенблата [29].
§ |
15] |
СХЕМЫ ВХОДНЫХ |
УСТРОЙСТВ УСИЛИТЕЛЕЙ |
1 3 1 |
в |
одной |
паре сердечников |
складываются, а в другой — вычи |
таются. В одной паре сердечников происходит сложение по токов, и, следовательно, уменьшение эффективной магнитной проницаемости, в другой паре сердечников, наоборот, — увели чение. Благодаря этому эквивалентные сопротивления плеч оказываются неравными и на выходе появляется составляю щая первой гармоники, фаза которой определяется поляр ностью входного сигнала.
Схема рис. 57 работает аналогичным образом, отличие состоит лишь в том, что обмотки переменного тока Wi
Рис. 57. Двухтактный магнитный модулятор по мостовой схеме.
образуют не дифференциальную, а мостовую схему. Как по казали тщательные исследования (см. М. А. Розенблат [29]), ни дифференциальная, ми мостовая схема не позволяют обес печить высокую стабильность нуля. Дрейф нуля объясняется главным образом невозможностью обеспечить строго иден тичные характеристики всех четырех сердечников и обмоток. Вследствие этого происходит разбаланс схемы под действием изменений окружающей температуры, напряжения (£/„) и частоты питающей сети, старения сердечников. Дрейф нуля также связан с медленным изменением сопротивлений утечек и паразитных емкостей между обмотками.
1 3 2 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА | ГЛ. V
Под действием внешних магнитных полей, явления гисте резиса сердечника и изменения сопротивления источника сигнала может возникнуть сдвиг нуля.
При самом тщательном изготовлении и питании от стаби лизированных источников указанные магнитные модуляторы не могут обеспечить порог чувствительности по мощности меньше 10~14-ь- 10“13 вт, что соответствует порогу чувстви тельности по напряжению 2>-~\0мкв при входном сопро тивлении 1 ком. В усилителях автокомпеисаторов нецелесо образно применять стабилизированные источники питания,
Рис. 58. Магнитный модулятор с удвоением частоты.
без которых дрейф нуля рассматриваемых модуляторов дости гает 50 - f - 100 мкв при входном сопротивлении 100 200 ом. Недостаточная стабильность нуля и низкое входное сопро тивление являются основными причинами, почему магнитные модуляторы по мостовой и дифференциальной схемам не нашли широкого применения в усилителях автокомпенса торов.
Лучшей стабильностью нуля обладает схема с удвоением
частоты |
(рис. 58). Ток от генератора |
частоты / 0) проходя |
|||
по обмоткам W u №2, |
вызывает |
изменение магнитной прони |
|||
цаемости |
сердечников |
с частотой 2/0, |
вследствие |
чего про |
|
исходит |
модуляция магнитного |
потока |
входного |
сигнала и |
на обмотке Wa возникает напряжение двойной частоты. Фильтр-пробка Ф2 настроен на частоту 2/ 0 и препятствует прохождению этого напряжения в источник сигнала. Колеба-
§ 15.1 СХЕМЫ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ УСИЛИТЕЛЕЙ 1 3 3
пия напряжения источника питания, различия в характеристи ках сердечников, изменение температуры и т. п. не могут вызвать паразитного сигнала двойной частоты на выходе при условии, что источник питания не содержит второй гармо ники и U RX = 0 . Благодаря этому преобразователь с удвое
нием частоты позволяет обеспечить весьма высокую стабиль ность нуля. При тщательном изготовлении удается прибли зить порог чувствительности к теоретическому пределу, оп
ределяемому |
уровнем |
шумов порядка |
10-19 |
:-10~ne//z (при |
|
R BX = |
1,0 к о м |
порог чувствительности |
по |
напряжению со |
|
ставит |
0,01 |
0,1 м к в ) . |
Чтобы обеспечить |
столь высокую |
чувствительность, необходимо снизить содержание второй гармоники в питающем напряжении до ничтожной величины (менее 0,0005%) или применить заграждающий фильтр (4>t на
рис. 58) с острой |
резонансной характеристикой. На выходе |
|
модулятора |
весьма |
велико паразитное напряжение нечетных |
гармоник. |
Обычно |
оно превышает порог чувствительности в |
десятки и даже сотни тысяч раз. Поэтому для выделения полезного сигнала на выходе должны применяться узкополос ные фильтры (Ф3 на рис. 58). Применение узкополосных
фильтров |
практически |
вызывает |
серьезные |
трудности, так |
||
как резко возрастают требования |
к стабильности |
их |
элемен |
|||
тов и к |
стабильности |
частоты |
источников |
питания; |
кроме |
|
того, значительно повышается |
инерционность |
устройства. |
В модуляторах с удвоением частоты выгодно использовать
сравнительно высокую частоту /„ (1500-г-2000 г ц ) . |
В этом |
|||
случае приходится |
ставить |
специальный |
преобразователь |
|
для получения на |
выходе |
50-периодного |
сигнала, |
кото |
рый необходим для работы двигателя. Вследствие сложности схемы магнитные модуляторы с удвоением частоты в на
стоящее время в усилителях автокомпенсаторов не приме няются.
В последние годы получает широкое применение схема с поперечным полем (рис. 59). Внутри тороидального сердеч ника закладывается обмотка W lt которая питается от сети
переменного тока через однополупериодиый выпрямитель (Д). Создаваемый обмоткой 1% поток изменяет проницаемость сердечника с частотой напряжения U ~ . Вследствие измене
ния проницаемости происходит модуляция постоянного маг нитного потока и на обмотке 1% появляется переменное напря жение. Фаза выходного напряжения определяется полярностью
134 ВХОДНЫЕ |
УСТРОЙСТВА |
УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО |
ТОКА [гл. V |
||||
входного сигнала. Поле, |
создаваемое |
обмоткой |
W b во |
|
всех |
||
точках |
перпендикулярно |
полю обмотки Wo, и поэтому |
не |
||||
создает |
в ней паразитного напряжения. Сопротивление |
R„ |
|||||
препятствует |
замыканию |
переменной |
составляющей |
через |
источник сигнала, а конденсатор С не допускает проникно вения постоянного напряжения на выход. Модулятор с ис пользованием поперечного поля обладает сравнительно высо кой стабильностью нуля. Дрейф нуля вызывается главным об разом утечками и паразитной емкостью между обмотками вследствие неполной экраниров ки, а также не строгой перпен дикулярностью полей. При пи тании модулятора от нестабилизированного источника и из менении окружающей темпера туры от нуля до 50° С сра внительно легко снизить дрейф
нуля до нескольких десятков микровольт в течение длитель ного времени при входном сопротивлении 1,0 ком. Переда точный коэффициент схемы примерно равен 0,7.
Магнитный модулятор с поперечным полем не может удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к входным
устройствам в усилителях автокомпенсаторов. |
В |
частности, |
|||
он не позволяет |
обеспечить |
высокое |
входное |
сопротивление |
|
и снизить дрейф |
нуля менее |
5 мкв. |
Кроме того, |
как и все |
магнитные модуляторы, схема с поперечным полем требует тщательной магнитной экранировки, чувствительна к пере грузкам (из-за явления гистерезиса), инерционна, паразитное напряжение высших гармоник на выходе значительно превос ходит порог чувствительности.
Несмотря на перечисленные недостатки, можно предпо лагать, что модулятор с поперечным полем найдет широкое применение в усилителях автокомпенсаторов средней чувстви тельности, где не требуется высокого входного сопротивле ния и малой инерционности.
Более подробные сведения по выбору схемы и расчету маг нитных модуляторов читатель может найти в специальных трудах, посвященных магнитным усилителям.
§ 1 5 ] |
СХЕМЫ |
ВХОДОЫХ УСТРОЙСТВ УСИЛИТЕЛЕЙ |
1 3 5 |
|
в. В х о д н ы е |
у с т р о й с т в а |
с м о д у л я т о р о м |
||
|
на |
к р е м н и е в ых |
д и о д а х |
|
Уже |
давно известны весьма разнообразные схемы |
моду |
ляторов, в которых используются полупроводниковые или вакуумные диоды [5]. Все они обладают сравнительно боль шим дрейфом нуля, что объясняется нестабильностью харак теристик диодов во времени и под действием изменений
Рис. 60. Модулятор с использованием кремниевых диодов (а). Зависимость внутреннего сопротивления диодов от напряжения (б).
окружающей |
температуры (для |
полупроводниковых) |
и |
питаю |
|
щего напряжения. В лучшем |
случае |
удается снизить |
дрейф |
||
до 1 мв (за |
час), но и такой |
дрейф |
в усилителях |
автоком |
пенсаторов совершенно недопустим. Не лучшие результаты дают схемы с использованием триодов и тетродов. Лишь разработка высокостабильных кремниевых диодов позволила сделать качественный скачок и приблизить стабильность диод ных модуляторов к уровню, необходимому в усилителях автокомпенсаторов.
На |
рис. 60, а показана схема |
простейшего модулятора |
|
на кремниевых диодах. Диоды и |
сопротивления |
R i A -R s |
|
образуют мостовую схему, которая питается напряжением U |
|||
Когда |
входной сигнал отсутствует, |
мост с помощью |
урав |
новешивается так, чтобы первая гармоника напряжения на выходе была равна нулю. В проводящий полупериод точка А
оказывается |
соединенной с |
землей через низкоомные сопро |
тивления /?i |
/?8 и внутреннее сопротивление диодов. В сле |
|
дующий полупериод диоды |
заперты и точка А соединяется |
1 3 6 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА [ГЛ. V
с землей помимо источника сигнала только через обратное сопротивление диодов (обратное сопротивление кремниевых диодов может достигать 108 ом).
При условии, когда
|
Ro6p ^ Rg^> Rв^* Rl~*~ Rs^> ^пр> |
RgCg |
Т'о |
||
(Д0бр и R np соответственно обратное и прямое |
сопротивле |
||||
ния |
диодов, Т0 — период U_), в установившемся режиме ток |
||||
зарядки конденсатора |
Cg равен току разрядки, т. е. |
||||
|
|
Цщ- U c |
_Uc |
|
(5.1) |
|
|
R g ~ \ - R в |
R g ’ |
|
|
|
|
|
|
||
где |
Uс — напряжение |
на Cg. В |
точке |
А напряжение U \ |
близко по форме к прямоугольным импульсам с амплитудой, равной
|
|
U. |
(U«x — Uс) R» |
Uл |
|
(5.2) |
||
|
|
|
R a + |
Rg |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
Исключая |
U c , находим |
передаточный коэффициент: |
|
|||||
|
|
К " = |
у пьш1 |
1/2” |
|
1/2 |
2/?., |
(5.3) |
|
|
|
|
|
л 2Rg -)-Ro |
|||
|
|
|
|
|
|
|||
Входное |
сопротивление |
схемы [см. |
(3.24)] равно: |
|
||||
|
|
|
R bx ^ R n -j-^ R g - |
|
|
|
||
Среднее за период входное сопротивление равно |
|
|||||||
Rвх.ср |
Rbx |
|
Rbx |
R «x I 1— R b ( R b 4~ - R e ) /-c 44 |
||||
|
'вх.ср |
|
2(/?в+ 2 Rg) |
2 R b \ |
~ |
R B + R g ~ л |
’ |
При Rg ^> RB
Rex.cp • <2RB.
Дрейф нуля схемы определяется главным образом изме нением сопротивлений диодов в проводящем направлении. Напряжение, которое необходимо приложить к диодам для нормальной работы схемы, составляет несколько вольт. Оче видно, изменение сопротивления одного диода относительно другого всего на 0,001% эквивалентно дрейфу нуля на не сколько десятков микровольт. Практически дрейф нуля моду-
§ 1 5 ] СХЕМЫ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ УСИЛИТЕЛЕЙ 1 3 7
лятора на кремниевых диодах (за час) достигает 100 - ь 200 мкв. Дрейф удается несколько уменьшить, если питание схемы осуществлять не синусоидальным напряжением, а прямоуголь ными однополярными импульсами. Известно, что сопротивле ние кремниевых диодов зависит от приложенного напряжения, примерно так, как показано на рис. 60, б, где UD— напря жение на диоде.
Сопротивление диодов |
с ростом |
напряжения |
уменьшается |
|||
незначительно и |
только |
при |
положительном |
напряжении |
||
0,3- i- 0,5 в сопротивление |
резко |
падает. Учитывая это, |
||||
нет |
необходимости |
в отрицательных полупериодах питаю |
||||
щего |
напряжения, |
тем более, |
что |
обратное |
сопротивле |
ние одного диода может значительно отличаться от сопро
тивления другого и |
вызвать |
значительный разбаланс |
моста. |
Зависимость R d (Ud) |
для разных экземпляров диодов также |
||
имеет значительный |
разброс, |
поэтому сбалансировать |
мост |
для всех значений Ud невозможно. При питании прямоуголь
ными |
импульсами |
рабочая |
точка |
скачком перемещается от |
Ud = |
0 д о г/0 10и. |
Когда |
Ud — 0, |
разбаланс схемы не играет |
роли, так как питающее напряжение равно нулю. Все осталь ные точки характеристики проходятся за ничтожную долю периода и даже при наличии значительного разбаланса в ин тервале 0 sg; Ud <С £/о >ном на выходе могут возникнуть только кратковременные импульсы, практически не дающие состав ляющей первой гармоники. Таким образом, при питании одно полярными прямоугольными импульсами баланс схемы должен осуществляться только в одной точке, соответствующей
амплитуде £/д>ном. |
выполненные автором, показали, что |
|||
Испытания, схемы, |
||||
таким |
путем удается |
заметно повысить стабильность. Дрейф |
||
нуля |
в течение нескольких суток не превышал |
± 200 мкв, |
||
а в |
час |
zh 50 мкв. |
При эксперименте оба диода нахо |
|
дились в |
очень близком температурном режиме. |
Такая вели |
чина дрейфа в большинстве случаев является неудовлет ворительной для автокомпенсаторов. Можно предполагать,
что |
дальнейшее |
совершенствование |
технологии производ |
ства |
кремниевых |
диодов позволит |
понизить дрейф нуля |
еще в несколько раз. В этом случае диодные модуляторы нашли бы широкое применение благодаря своей просто те, надежности и сравнительно высокому входному сопро тивлению.