§ 18.4. Вибропреобразователи

Вибропреобразователь представляет собой электромагнитное устройство типа поляризованного реле; это реле работает в вибра­ционном режиме, поскольку его обмотка подключена к источнику переменного тока. Вибропреобразователи предназначены для пре­образования постоянного тока в переменный. Они также могут применяться и для обратного преобразования — переменного тока • в постоянный. В системах автоматики вибропреобразователи полу­чили широкое применение при усилении слабых сигналов постоян­ных токов и напряжений, поступающих от датчиков (термопар, фо­тоэлементов, датчиков Холла и др.). Дело в том, что электронные и

полупроводниковые усилители, усиливающие непосредственно сиг­нал постоянного тока, имеют серьезный недостаток, который назы­вается «дрейф нуля». Он заключается в том, что даже при отсутст­вии входного сигнала (при нулевом сигнале) на выходе усилителя постоянного тока появляется некоторое напряжение, вызванное нагревом, наводками, изменениями параметров отдельных элемен­тов усилителя. Поэтому предпочитают предварительно преобразо­вать слабый сигнал постоянного тока в сигнал переменного тока, затем усилить его (усилители переменного тока не имеют дрейфа нуля), а потом снова выпрямить. Электрическое устройство, преоб­разующее сигнал постоянного тока в соответствующий ему сигнал переменного тока заданной частоты, называется модулятором. Виб­ропреобразователь нашел широкое применение именно в качестве модулятора.

Усиление сигналов постоянного тока выполняют по структур­ной схеме (рис. 18.5, а), состоящей из модулятора (М), усилителя (У) демодулятора (ДМ). Напряжение постоянного тока t/_BX=, которое необходимо усилить, поступает на модулятор, который также полу­чает питание от источника переменного напряжения U_n,, изменяю-

щегося с частотой/ Переменное напряжение С/_и на выходе модуля­тора будет также изменяться с частотой /, которая называется несу­щей частотой. Амплитуда этого переменного напряжения £/,- будет пропорциональна входному сигналу постоянного тока U_m=. Затем усилитель переменного тока (У) усиливает напряжение U_r до зна­чения С/2, (рис. 18.5, б). Надо отметить, что обычно усиление проис­ходит не только по напряжению, но и по мощности. Выходное пе­ременное напряжение усилителя U₂^, изменяющееся с частотой /, с помощью демодулятора (ДМ) преобразуется (выпрямляется) в про­порциональное напряжение постоянного тока £/_вых=. Таким образом, как на входе схемы, так и на выходе имеются напряжения постоян­ного тока, причем выходное напряжение больше и пропорциональ­но входному напряжению. Однако сам процесс усиления постоян­ного тока заменяется усилением переменного тока.

Напомним, что процесс преобразования переменного напряже­ния по амплитуде (без усиления по мощности) выполняется очень просто — с помощью трансформатора. Постоянное же напряжение не трансформируется. Поэтому, когда требуется повысить напряже­ние постоянного тока, используют схему, состоящую из модулятора, трансформатора и выпрямителя. Такая задача возникает довольно часто на подвижных объектах, питаемых от аккумуляторов или батареек с напряже­нием 1,5—1,2 В. В этих случаях также можно использовать в качестве модулято­ра вибропреобразователь.

Устройство вибропреобразователя по­казано на рис. 18.6. Обмотка возбуждения 1 питается переменным током с частотой 50 Гц и создает переменный магнитный поток. Поляризующий магнитный поток создается постоянным магнитом 2. В ра­бочем зазоре вибропреобразователя виб­рирует с частотой 50 Гц якорь 3, имеющий постоянное электрическое соединение с контактной упругой пластиной 4. В край­них положениях якоря происходит замы­кание его контактной пластины 4 со стер­жневыми контактами 5, размещенными на упорных пластинах 6. Для регулировки ра­боты вибропреобразователя служит винт 7. Включение вибропреобразователя в схему осуществляется с помощью стержневых

контактов 8, закрепленных на цоколе 9. Цоколь и стержневые кон­такты такие же, как у электронных ламп, что позволяет легко и бы­стро заменять вибропреобразователь, а несимметричное расположе­ние стержней исключает возможность ошибочного подключения вибропреобразователя.

Так как в зазоре вибропреобразователя действует переменное магнитное поле, то якорь 3 будет периодически перемагничиваться. Поэтому он будет попеременно притягиваться то к северному, то к южному полюсу постоянного магнита 2. Следовательно, поперемен­но будет происходить замыкание контактной пластины 4 то с ле­вым, то с правым контактом 5.

Схема включения вибропреобразователя для преобразования постоянного тока в переменный показана на рис. 18.7,а. На вход схемы подается постоянное напряжение U_BX, график которого пока­зан на рис. 18.7, б. На обмотку вибропреобразователя подается пе­ременное напряжение питания t/, . Под действием этого напряже­ния контакт 1 вибропреобразователя периодически замыкается то с контактом 2, то с контактом 3. При замыкании контактов 1 и 2 на­пряжение на выходе вибропреобразователя (точки а и 6) равно входному напряжению: £/_аб = £/_вх. При замыкании контактов 1 и 3 напряжение на выходе вибропреобразователя равно нулю: U_a6 = 0. Таким образом, напряжение на выходе вибропреобразователя U_a6 имеет вид прямоугольных импульсов (рис 18.7) с периодом следова­ния Т= t_H + t_n, где t_H — ширина импульса, определяемая длительно­стью замкнутого состояния контактов 1—2, t_n — ширина паузы, определяемая длительностью замкнутого состояния контактов 1—3. Обычно вибропреобразователь настраивается так, что /"„ = /_п. После­довательность однополярных импульсов £/_а6 можно представить в виде суммы постоянной составляющей f/_a6/2 и переменной состав­ляющей в виде симметричных прямоугольных колебаний напряже-

ния с амплитудой £/_а6/2. Разделительный конденсатор С пропускает только переменную составляющую, т. е. симметричные прямоуголь­ные колебания с амплитудой (7_а6 = £У_вх/2 и периодом Т (рис. 18.7). Эти колебания можно приближенно представить в виде синусоида­льных колебаний, показанных на рис. 18.7 пунктиром. Выражение для синусоиды выходного напряжения получают разложением пе­риодических прямоугольных колебаний в тригонометрический ряд:

где 2U_m/it — амплитуда синусоидальных колебаний; со = 2л/Т — уг­ловая частота колебаний.

На рис. 18.8 показана трансформаторная схема включения мо­дулятора с вибропреобразователем. Входное постоянное напряже­ние подается на подвижный контакт вибропреобразователя 1 и среднюю точку первичной обмотки трансформатора Тр. В результа­те поочередного замыкания контактов 7—2 и 1—3 напряжение U_m подается то на левую, то на правую половину первичной обмотки трансформатора, причем направление тока в этой обмотке каждый раз изменяется. Следовательно, в сердечнике трансформатора будет создан переменный магнитный поток, а в выходной обмотке транс­форматора будет наводиться ЭДС, значение которой пропорциона­льно входному напряжению (с учетом коэффициента трансформа­ции), а частота изменения будет равна частоте напряжения U_, по­данного на обмотку вибропреобразователя. Для выделения синусоидального выходного напряже­ния £/_вых_ служит конденсатор С, включаемый па­раллельно вторичной обмотке трансформатора. Вибропреобразователь, используемый в качестве электромеханического модулятора, является ис­точником электромагнитных помех, для борьбы с которыми вибропреобразователь помещают в эк­ран. Так как вибропреобразователь работает с очень слабыми входными сигналами, то источ­ником помех могут быть и термоЭДС, возникаю­щие на контактах. Для борьбы с этими помехами в качестве материала для контактов используется золото и его сплавы.

Так как разрывная мощность контактов и на­пряжения на контактах очень малы, то зазор между контактами можно уменьшить до 10 мкм, что позволяет создать достаточно надежную кон-

тактную систему, работающую без дребезга и с очень малым време­нем переключения цепи.

Отечественной промышленностью выпускаются вибропреобра­зователи типа ВП, питаемые напряжением 6,3 В при частоте 50 Гц, как и цепь накала обычных электронных ламп. Так же как и элект­ронные лампы, вибропреобразователи имеют цоколь с выводами. Имеются также вибропреобразователи для питания от сети 400 Гц.

К достоинствам вибропреобразователей следует отнести высо­кую стабильность (отсутствие дрейфа нуля), возможность преобра­зования очень слабых сигналов постоянного тока (микровольты и миллиамперы), сравнительно малые габариты и вес, небольшую стоимость.

Недостатками вибропреобразователей считаются наличие вы­сших гармоник в выходном сигнале, непригодность для преобразо­вания быстропеременных сигналов постоянного тока (имеющих пе­ременную составляющую с частотой, которая соизмерима с несу­шей частотой), наличие контактов, являющихся источниками помех и причиной выхода из строя.

Вместо вибропреобразователей находят применение полупро­водниковые и магнитные модуляторы (последние рассмотрены в гл. 26).

Контрольные вопросы