§ 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. Внбронрсобразователи 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 постояпого тока, имеют серьезный недостаток, который называется «дрейф пуля». Он заключается в том, что даже при от­сутствии входного сигнала (при нулевом сигнале) па выходе уси­лители нотояиного тока появляется некоторое напряжение, вызван­ное нагревом, наводками, изменениями параметров отдельных эле­ментов усилителя. Поэтому предпочитают предварительно преоб­разовать слабый сигнал постоянного тока в переменный ток, 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 U_BX=, которое необходимо усилить, поступает на модулятор, который также по­лучает питание от источника переменного напряжения U_п~ ., изме­няющегося с частотой f. Переменное напряжение U_1~ на выходе мо­дулятора будет также изменяться с частотой f, которая называется несущей частотой. Амплитуда этого переменного напряжения U_{1 ~} будет пропорциональна входному сигналу постоянного тока U_вх=. Затем усилитель переменного тока (У) усиливает напряжение U_1~ до значения U_2~ (рис. 18.5,6). Надо отметить, что обычно усиление происходит не только по напряжению, но и по мощности. Выход­ное переменное напряжение усилителя U_2~, изменяющееся с час­тотой /, с помощью демодулятора (ДМ) преобразуется (выпрямля­ется) в пропорциональное напряжение постоянного тока U_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 магнит ный 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 и 5', размещенными на упорных пластинах 6 и 6'. Для регулировки ра­боты вибропреобразователя служит винт 7. Включение вибропре­образователя в схему осуществляется с помощью стержневых кон-

тактов б, закрепленных на цоколе 9. Цоколь и стержневые контак ты 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 перемагничивать-ся. 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 контактом 5, то с контактом 5'.

Схема включения вибропреобразователя для преобразования постоянного тока в переменный показана на рис. 18.7,с. На вход схемы подается постоянное напряжение U_BX, график которого по­казан на рис. 18.7,6. На обмотку вибропреобразователя подается переменное напряжение питания U_~ . 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 б) рав­но входному напряжению: U_a6 = U_BX. При замыкании контактов 1 и 3 напряжение на выходе вибропреобразователя равно нулю: U_aб= = 0. Таким образом, напряжение на выходе вибропреобразователя U_ac имеет вид прямоугольных импульсов (рис. 18.7) с периодом следования T=t_u+t_n, где t_K — ширина импульса, определяемая длительностью замкнутого состояния контактов 1—2, t_u — шири­на паузы, определяемая длительностью замкнутого состояния кон тактов 1—3. Обычно вибропреобразователь настраивается так, что t_n=t_n. Последовательность однополярных импульсов U_аб можно представить в виде суммы постоянной составляющей и_аб/2 и пере­менной составляющей в виде симметричных прямоугольных коле­баний напряжения с амплитудой U_ao/2.

Р азделительный конденса­тор С пропускает только переменную составляющую, т. е. симмет­ричные прямоугольные колебания с амплитудой U_аб=U_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_BX/п — амплитуда синусоидальных ко­лебаний; w=2п/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 по '

очередного замыкания контактов /—2 и /—3 напряжение U_BX 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 U_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 контактную 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 обычные электронные лампы. Так же как и электрон­ные лампы, вибропреобразователи имеют цоколь с выводами. Имеются также внбропреобразователи 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 не­сущей частотой), наличие контактов, являющихся источниками по­мех и причиной выхода из строя.

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