книги из ГПНТБ / Полонников Д.Е. Электронные усилители автоматических компенсаторов

триков, величина

которых изменяется в широких пределах

в зависимости от

типа диэлектрика н величины механического

и электрического

напряжения, приложенного к нему. Вели­

чина токов,

генерируемых

диэлектриком, может изменяться

от (1 0 - 1 1

1 0 “12)

а при использовании гетинакса или плекси­

гласа и до (1 0 ~1В-ь 1 0 ~1В) а

в случае полистирола или янтаря.

температуры,

а также

достаточно большой период старения

после

сборки

преобразователя.

Весьма большую

составляющую

в дрейф

нуля вносит

э. д. с., возникающая при движении подвижного

контакта и

якоря

в электростатическом поле.

Последнее

практически

нитный экран с

отверстиями

для боковых контактов

и элек­

трически соединить экран

с

якорем, то по отношению

к внешнему миру всю систему

можно считать неподвижной.

Следовательно,

существующие

электростатические

поля не

§ 1.8]

УСТРОЙСТВА

С

КОНТАКТНЫМ

ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛВМ

2 1 9

будут

наводить

на

якорь

переменное

напряжение.

Если

же

существуют

поля

между

якорем

и экраном, то

может

возникнуть

напряжение

на

якоре

только

относительно

экрана.

Но

они

закорочены

между

собой,

следовательно,

это напряжение также полностью ликвидируется.

Схема­

тический

чертеж

такого

преобразователя

дан на рис. 90.

Испытание

вибропреобразователя сов­

местно с усилителем с отрицательной вход­

ной емкостью

[25]

показало, что

удается

обеспечить порог чувствительности порядка

1 0 ~,8а (или 1 0 лш;)

при входном

сопроти­

влении

1 0 1Uом

и

входной

постоянной

времени 1 сек. Указанная чувствительность

могла обеспечиваться в сравнительно не­

большой промежуток времени (несколько

часов). При этом дрейф во времени про­

исходил

почти

скачкообразно.

В случае, если перечисленные состав­

ляющие дрейфа пуля

сведены к минимуму,

основную роль играют токи, генерируемые

контактами. Установлено, что при каждом

размыкании

и замыкании

контактов гене­

рируется небольшой заряд. Механизм воз­

никновения

заряда

связан

со

сложными

Рис. 90. Вибропре­

процессами

на

поверхности

контакта

при

образователь сэкра­

их соприкосновении и разрыве.

При

этом

нированнымякорем.

существенную роль играет контактная э.д.с.

1

— якорь

с

нако­

между

рабочими

поверхностями

контак­

нечником 4 из мяг­

койстали,2 —экран,

тов.

Генерируемый

заряд

тем

меньше,

электрическисоеди­

чем

чище

поверхности

и

чем

меньше

ненный

с

якорем,

они

отличаются друг

от

друга

по струк­

3 —регулировочные

туре

и

составу.

Наилучшие

результаты

(контактные) винты,

5—постоянный маг­

обеспечивают

сплавы

золота.

Напри­

нит, 6 —электрома­

мер,

контакты

из

сплава

Аи 98 Сг 2

по­

гнит.

зволяют

с н и з и т ь

генерируемый

разряд

, до

1 0 ~ 16 кул,

что

соответствует

току (при

частоте

преобра­

зования

50 гц)

5 - 1 0 _1 Ва.

Серебряные контакты в

аналогич­

ных

условиях

генерируют

ток

порядка

нескольких

единиц

10~1 3 ст.

Подчеркиваем,

что

исключительно

важную

роль

играет состояние

поверхности

контакта,

в том числе степень

посвящен ряд

работ — см. А.

В. Дмитриев [11], И. Шин-

тельмейстер [37], Н. Palevsky,

R. К- Swank, R. Grenchic [54]

и D. G. Thomas

[58]. Поэтому остановимся

только на

наибо­

лее важных

особенностях

схем с динамическим кон­

денсатором

и

вопросах

его конструирования.

Типовая

схема

вход­

ного устройства

с

дина­

мическим конденсатором

приведена на рис. 91.

Через

большое

сопроти­

Рис.

91. Входная цепь с динамическим вление

R B пропускается

конденсатором.

ток, подлежащий измере­

нию. Напряжение, кото­

рое

создается

на R B, через

нагрузочное

сопротивление R n

через фильтр Сь R l} С2, R% подается

на

сетку входной лам­

пы. Фильтр в сеточной цепи служит

для

того, чтобы осла­

бить эффект модуляции сеточного тока

при его медленных

изменениях.

§ 1 9 ]

УСТРОЙСТВА С ДИНАМИЧЕСКИМ КОНДЕНСАТОРОМ

221

^

П,

д - С д

Т0,

^

Д" Сt

Г о ;

C i R z ^

Т„.

Кроме того, примем, что

емкость

Сд

изменяется

по синусои­

дальному

закону

от

минимального

значения

Сд— АС до

максимального

Сд

АС;

тогда схему можно представить, как

показано

на

рис.

92,

где

введен

Сд Gj Сг

эквивалентный

генератор

перемен­

IHHh

ного напряжения Е^\

E ^ = J.R.m =

IBRBy

^

,

(6.43)

'Сш квых

где

m — коэффициент

модуляции.

Рис.

92.

Эквивалентная

Из

схемы

рис.

92

следует,

что

пе­

схема входной цепи.

гармоники

на выходе

к

входному

напряжению

постоянного

тока

I0 RB,

имеет вид

m

Кп>

(6.44)

1

I

СШ I

С[Д

+ Сд

' С! “Г сГ

Передаточный

коэффициент

тем

больше,

чем

меньше Сш

и чем

больше

коэффициент

модуляции

т.

Практиче-

ски

ас'

обычно не превышает

0,7, а

величина

с

с

с

g-■

имеет

порядок

единицы;

при

этом К п«ё 0,25. В

существую­

щих устройствах передаточный

коэффициент

в

большинстве

случаев

имеет

величину

0,1 ч - 0,2.

Для обеспечения

макси­

мального

передаточного

коэффициента

входного

устройства

следует

выбирать в первом каскаде лампу, имеющую наиболь­

денсатора

состоит в

усилении

сигнала

по мощности

за счет

'Преобразования

механической

энергии

колебаний

пласти­

ны в электрическую.

Усиление получается тем больше, чем

выше частота

преобразования

о>0, и

имеет оптимум отно-

сительно

RiRs /->

/?» + * .

д‘

Второй

важной

особенностью входного устройства с дина­

мическим

конденсатором является

возможность

обеспечения

высокого

входного

сопротивления,

определяемого

только ка­

обеспечить

порог чувствительности по

напряжению

50 мкв

при входном

сопротивлении 1016 сш

и

Сл =

А0

пф, что

соответствует

порогу чувствительности

по

току

5

-

1 0 ~2 1 а,

т. е. меньше электрона в секунду.

Однако

практически воспользоваться

такой чувствитель­

обычно

шунтируется (см. рис. 91)

таким

сопротивлением,

чтобы

получить приемлемую

величину постоянной

времени

7'вх =

(^в +

/?н)(Сд + с ,) .

При

Твх=

1 сек

порог

чувствительности

по току в приведенном примере

составляет 2

- 1 0 _1 8 а.

Динамические

свойства

входного

устройства относительно

огибающей

определяются

переходным процессом

Р и с. 9 3 . У п р ощ ен н ая с х е ­

в схеме по постоянной составляющей.

Обычно постоянные

времени

сеточ­

ма в хо дн о й ц ени с д и н а ­

м ическим к о н д ен са т о р о м .

ного фильтра R\CU ЯчРг много

мень­

ше

входной

постоянной

времени

(Я. + ЯяНСд + С,),

поэтому, приближенно

можно

рассма­

тривать входное устройство по схеме

рис.

91

как

апе­

риодическое звено первого

порядка

(относительно

огибаю­

F{p)-.

Кп

(6.45)

*■) ( С д +

1 + Р (*В

C l )

при

RB^> Rg, СЙ> С Ш, С ,*> С Шнапряжение шума,

приведен­

ное

к пластинам динамического конденсатора, в

интервале

§ 1 9 ]

УСТРОЙСТВА С ДИНАМИЧЕСКИМ

КОНДЕНСАТОРОМ

2 2 3

частот

0 -i-/i выражается формулой

1Да^

^

(у-щ arctg 2ir/i CeR„ +

Л® ^ -

arctg 2 it/,

arctg 2 * / , ^ ,

(6.46)

где

обозначено Се = С„-\-Сл\

С^ =

ЛС„; Л =

р,

Од

.

L,g

В выражении (6.46) первый член соответствует тепловым

шумам,

возникающим в контуре RB,

Сд; второй

член— теп­

ловым

шумам в Rg, C'g\ третий — дробовому

эффекту

сеточ­

ного тока. Шумы, вызванные фликкер-эффектом

и дробовым

Далее

в приведенных выше работах делается

вывод, что

поскольку

входное

сопротивление

имеет

величину

больше

101в ом (сопротивление изоляции), то постоянная

времени R BCe

очень велика,

и практически весь спектр шумов контура RB, Сд

лежит в

области

весьма

низких

частот

(ниже

0 , 0 2 гц).

Поэтому этот

компонент

шума модулируется

и

полностью

пускания

(Д / всегда больше

0,02

гц). Учитывая сказанное,

в первом

члене

полагают

/,

—>оо.

Остальные

члены имеют

более широкий

частотный

спектр и могут быть

значительно

деляется

низкочастотными

тепловыми

шумами

в

контуре

RB, Сд,

которые равны

(6.47)

Предельная чувствительность

к заряду равна

Qo=

CeUmT=

i/k T C e = 450e / С „

(6.48)

где е — заряд электрона, Се — емкость

в пф.

чувствитель-

Такой вывод

справедлив

при

определении

'• пости к

заряду, т. е. в случае электрометра. При

определе­

нии

предельной

чувствительности

по

напряжению или по

току

он

нуждается в уточнении. При

измерении

тока (или

напряжения) существенную

роль играет

входная

постоянная

2 2 4

ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА

ВЫСОКОЧУВСТВИТ. УСИЛИТЕЛЕЙ [гл . VI

времени.

В усилителе

автокомпенсатора она

не должна быть

больше

1-=-2 сек,

а

в

ряде случаев

0,02 - ь 0,05 сек.

Поэтому

сделанное

при выводе (6.47) предположение, что

весь

спектр шумов,

определяющих чувствительность, лежит

та

часть низкочастотных

шумов

проходит

при модуляции

через усилитель, которая

лежит в

диапазоне

частот

„

Д/

0 -г- ~

(Д /— полоса пропускания

усилителя).

Поэтому

интегрирова­

ние

необходимо производить от 0

до

а

не

от 0

до

оо;

конденсатора

равно

arctg *CeR BД /.

(6.49)

Напряжение

сигнала равно

=

| а У ~ 2кТ {Се + Сд)

arctgicГ „Д /,

(6.50)

где TB =

CeRB— входная постоянная времени.

динамиче­

Таким

образом, предельная

чувствительность'

ния усилителя

Д / и входной постоянной

времени Тв. Только

при тсГвД/^> 1

формула (6.49) совпадает

с (6.47);

при этом

= ¥ . V ^ f - C . + C J.

(6.51)

Cg +

Сд.

При

Тв = 2сек, Д / =

0,5 гц,

Сg -f- Сд= 10 пф и

г ш =

1

порог

чувствительности

равен 7-

1 0 ~1 7 а.

§ 1 9 ]

УСТРОЙСТВА

С ДИНАМИЧЕСКИМ

КОНДЕНСАТОРОМ

2 2 5

Порог чувствительности по напряжению определяется

формулой (6.49)

или,

выражая

R B через Тв, формулой

^в =

Ч ш |/

arctg 1гГвД/,

(6.52)

откуда

видно, что для увеличения

чувствительности по напря­

жению

при

фиксированных

Тв

и

Д / необходимо

увеличи­

вать Се и уменьшать R B. При т]ш= 1

,

Тв= 2 сек,

Д / = 5 гц,

Се= 10 пф

порог чувствительности

Ub= 2Qmkb.

Частота

преобразования

явно

не входит

в

выражение

предельной

применять

на входе электрометрическую лампу.

При

величине

сеточного

тока

порядка 1 0 -и а или

меньше

он практически

не ограничивает

чувствительности вплоть

д о (1 0 _1 6 -т-Ю _17 )а,

если только приняты меры к ограничению

скорости изменения

тока.

Наиболее

выгодно

в качестве

входной

лампы

исполь­

зовать

высокочастотный

пентод (например,

6Ж1Ж,

6Ж1П),

§ 20.]

ПРИМЕНЕНИЕ

ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ

2 2 7

большую

чувствительность

по току благодаря

меньшей

универсальности — он одинаково успешно может

приме­

няться

для

измерения

малых токов и

малых

напряжений.

Кроме

того,

контактный

преобразователь обладает

ббльшим

коэффициентом

преобразования.

В

настоящее

время

при измерении

токов

менее

10-1а а

требуется

низкий

порог

. чувствительности

по

напряжению

(порядка

1 0 -г-

2 0 0

мкв)

при измерениях э. д. с.

с внутренним

сопротивлением

менее 1 0

9 ом, предпочтение

следует отдать

U.

__

EcZBKo

(6.58)

Zbu+ ZB( 1 + Ко?)'

Выходное напряжение

шума равно

U^ =

Z

Ba + ZB( l + Ko?) ’

(6.54)

где Ес — э. д. с. сигнала с

внутренним сопротивлением 2 ВН,