5.3 Електрометричні і вимірювальні підсилювачі

Ці підсилювачі призначені для виміру напруги й струму надмалих значень. Вимірювання напруги здійснюється в діапазоні від 0 до 100 мВ, а вимірювання струму - від 10^-16 до 10^-3 А. Для електрометричних підсилювачів основним параметром є великий вхідний опір. Вони працюють в області частот від 0 до 10 Гц. Основним недоліком цих підсилювачів є часовий і температурний дрейф нуля. Електрометричних підсилювачі знайшли велике застосування для підсилення малих сигналів і потенціалів різних датчиків.

Рисунок 5.8 – Схема електрометричного підсилювача (а)

та його частотна характеристика (б)

На рис. 5.8 показана схема і характеристики термостабільного електрометричного підсилювача, який дозволяє вимірювати мінімальний

Рисунок 5.9 – Схема мостового Рисунок 5.10 – Схема вимірювального

підсилювача підсилювача

струм 10^-5 А. Вихідна напруга при цьому дорівнює 50 мВ. Підсилювач містить вхідний каскад на складанні польових транзисторів DA1. Сигнал з польових транзисторів подається на вхід ОП. Для балансування схеми служать потенціометри R₅ і R₁₀. Часовий дрейф схеми складає 20 мВ/год, а температурний - 5 мВ/° С.

На рис. 5.9 наведена схема простого мостового підсилювача, яка дозволяє вимірювати вхідний струм до 10^-15 А з вхідним опором більше 10¹⁴ Ом. Коефіцієнт підсилення схеми дорівнює 10.

На рис. 5.10 наведена схема простого вимірювального підсилювача. Цей вольтметр дозволяє вимірювати напругу від -1 до 1 В. Вхідний опір - 100 МОм. При нульовій напрузі на вході через вимірювальний прилад протікає струм, значення якого регулюється резистором R₂. За допомогою цього резистора стрілка приладу встановлюється в середині шкали.

1. Підсилювачі з перетворенням

Для вимірювання дуже малих сигналів постійного струму (менше 1 мВ) застосування підсилювачів з безпосереднім зв'язком неможливо через великий дрейу вихідного сигналу і збудження. У цьому випадку використовуються підсилювачі з модуляцією і демодуляцією (МДМ), які мало чутливі до змін напруги живлення та температури навколишнього середовища і значно стабільніше в часі, ніж підсилювачі з безпосередніми зв'язками. У підсилювачах МДМ сигнал постійного струму перетворюється за допомогою модулятора в змінний сигнал. Цей змінний сигнал підсилюється до необхідної величини, а потім детектується і перетворюється з змінного в постійний. На виході підсилювача стоїть фільтр нижніх частот для згладжування перешкод різного роду.

На рис. 5.12 наведена практична схема МДМ-підсилювача. У цій схемі на транзисторах VT1 і VT2 зібраний модулятор, підсилювач змінного сигналу зібраний на елементах DA1 і DA2, демодулятор зібраний на транзисторах VT5 і VT6, інтегратор зібраний на операційному підсилювачі DA3, а на транзисторах VT3 і VT4 зібраний генератор, який управляє роботою модулятора і демодулятора.

5.5 Магнітні підсилювачі

1. Класифікація і принцип дії

Магнітним підсилювачем називається підсилювач електричних сигналів, дія якого заснована на використанні нелінійності характеристик феромагнітних матеріалів. Магнітні підсилювачі застосовуються в різноманітних пристроях: від точних вимірювальних приладів до схем автоматичного управління великими виробничими агрегатами (прокатними станами, екскаваторами і т.п.). Широке застосування магнітних підсилювачів визначається низкою їх переваг:

• більшим терміном служби, високою надійністю, простотою експлуатації;

• широким діапазоном потужностей, що підсилюються: від 10^-13...10^-6 Вт до декілька десятків і навіть сотень кВт; постійною готовністю до роботи;

• можливістю підсумовувати на вході кілька керуючих сигналів;

• значною перевантажувальною здатністю; пожежо- та вибухобезпекою;

• стабільністю характеристик у процесі експлуатації.

Магнітні підсилювачі розрізняють за наступними ознаками:

• виду статичної характеристики - однотактні (нереверсивні) і двотактні (реверсивні);

• способу здійснення зворотного зв'язку (ЗЗ) - без ЗЗ і зі ЗЗ (зовнішнім, внутрішнім, змішаним);

• формі кривої вихідної напруги - з виходом на несучій або подвоєній частоті, на постійному або випрямленому струмі і т.д.;

• способу включення навантаження - з послідовним і паралельним включенням навантаження і робочих обмоток;

• кількості та конструкції сердечників в однотактній схемі - з одним двостриженевим або тороідним магнітопроводом, з двома сердечниками, трьохстриженевим і чотирьохстриженевим сердечниками;

• способу здійснення зсуву - постійним або змінним струмом і шунтуванням випрямлячів ОЗ;

• режиму роботи - лінійні (або пропорційні) і релейні.

Найпростіші магнітні підсилювачі без ЗЗ виконуються у вигляді двох однакових трансформаторів. Робочі обмотки цих трансформаторів з кількістю витків w_Р включаються послідовно з джерелом живлення змінної напруги U (рис. 5.13). Керуючі обмотки з числом витків w_У включаються зустрічно щодо робочих обмоток для усунення трансформаторного зв'язку між ланцюгами, утворюваними керівними і робочоми обмотками. Підсилюваний сигнал постійного струму І_У надходить в керуючі обмотки w_У трансформаторів і, внаслідок нелінійного характеру кривої намагнічування сердечників, викликає зменшення їх магнітної проникності та пропорційне з меншення індуктивності L₁ робочих обмоток.

Рисунок 5.13 – Схема простішого магнітного підсилювача

на двох трансформаторах

Пристрій, схема якого зображена на рисунку 5.13, часто називають дроселем насичення або керованим дроселем, так як, змінюючи ступінь магнітного насичення його сердечників шляхом підмагнічування їх постійним струмом, можна в широких межах змінювати індуктивність робочих обмоток. Навантаження R_H, що показане на малюнку пунктиром, включається в ланцюзі змінного струму паралельно або частіше послідовно з керованою індуктивністю. Струми І₁ і І₂, що протікають відповідно в робочій та керуючої обмотках трансформаторів, створюють магнітні поля, які протягом одного напівперіода змінного струму в одному з сердечників мають однакові, а в іншому - протилежні напрямки. У результаті перший сердечник насичується, а другий залишається ненасиченим. Для ненасиченого сердечника справедливо рівняння звичайного трансформатора

де Ιμ - струм намагнічування трансформаторів.

При відсутності сигналу на вході підсилювача І₂ = 0 і Ι₁ = Ι_μ. У цьому режимі середнє значення струму навантаження має мінімально можливе значення, рівне току холостого ходу трансформатора І_хх.

За наявності істотного сигналу І_У на вході підсилювача зазвичай можна знехтувати складовою Ι_μw_P в правій частині рівняння ампервиткiв у порівнянні з I₂w_У. Тоді, інтегруючи в межах напівперіоду, протягом якого сердечник є ненасиченим, отримаємо

тобто струм навантаження в схемі на рисунку 5.13 визначається лише струмом управління і конструктивними параметрами підсилювача і не залежить від навантаження.

Коефіцієнти підсилення по струму k_І та потужності k_P для найпростішого магнітного підсилювача визначають за формулами

де R_У - активний опір керуючий обмотки.

Істотним недоліком таких магнітних підсилювачів є їх відносно висока інерційність, яку зазвичай характеризують постійної часу  ланцюга управління:  = k_P/4f де  - ККД ланцюга навантаження; f - частота джерела живлення. Для зменшення інерційності магнітних підсилювачів застосовують змінний струм підвищеної частоти (400 ... 10000 Гц і вище).