книги из ГПНТБ / Полонников Д.Е. Электронные усилители автоматических компенсаторов
.pdf1 8 8 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА [ г л . V
заряд, теряемый Cg, равен
Uct1
<?р =
Rg + у
Можно показать, что во время перекрытия контактов за ряд конденсатора Cg не изменяется. Поскольку суммарный заряд, получаемый Cg за период, равен нулю,
|
(UB— U c ) t i = |
|
Uch |
(5.115) |
||
|
R g + |
~2 R $ |
Rg "I- ~2 R(i> |
|||
|
|
|||||
Учитывая, что суммарный заряд, |
получаемый |
конденсатором |
||||
Св за период, |
также равен нулю, |
можно записать |
||||
(ЕС-Ц „ )Т 0 |
_ (£ /, |
• Uc) U |
. —в О Д t |
(5.116) |
||
|
Rв |
Rg + |
~2 |
R<b |
||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||
Подставляя значение |
£/в из (5.115) в (5.116) |
и решая отно- |
||||
сительно Uc, |
находим: |
|
|
|
|
|
и с =
Rg + у
(5.117)
I R B
Г Го /? ф
Первая гармоника выходного напряжения выражается через Uq следующим образом:
У2 UCR
(5.118)
Подставляя значение U c |
из |
(5.117) |
в (5.118), |
получаем: |
|
/ 2 |
|
|
|
|
|
и.вых,1' |
7?ф |
, 2Д(пк /?в |
■ti RB |
||
1 + |
|||||
2R, |
Го |
R<$ |
2R. |
откуда находятся более точные, чем в табл. 4, значения коэффициента передачи
|
1 |
(5.119) |
|
1 -L |
2Д^пк RB |
||
1 7о — Rb |
|||
+ 2Rg |
Г0 RФ |
То 2R . |
§ 1 7 1 |
БЕСТРЛНСФОРМАТОРНЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА |
1 8 9 |
и входного сопротивления
(5.120)
Величина К?ф имеет оптимальное значение, при котором коэф фициент передачи максимален:
R ф. опт = 2 |
(5.121) |
При этом |
|
V 2 |
(5.122) |
^п.макс |
(5.123)
Входной фильтр, образованный R B, /?ф и Св, позволяет зна чительно ослабить паразитное переменное напряжение и тем самым обеспечить высокий коэффициент избирательности. Коэффициент избирательности по первой гармонике паразит ного напряжения для схемы 7 (табл. 4) приближенно равен
|
S n ^ % C aRB{ l |
- |
^ |
|
(5.124) |
|
Однако |
увеличение |
избирательности |
в схеме 7 достигается |
|||
за счет |
ухудшения |
динамических |
свойств, |
которые |
опреде |
|
ляются |
в основном |
той же постоянной |
времени |
входного |
фильтра. Передаточная функция рассматриваемой схемы мо жет быть приближенно представлена следующим образом:
(5И25)
где
'Таким образом, основной недостаток однополупериодных схем заключается в низком коэффициенте избирательности,
190 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА |ГЛ. V'
увеличения которого можно достигнуть лишь за счет повы шения инерционности входной цепи. Схемы 8 и 9 (табл. 4) в значительной мере свободны от этого недостатка. При сигнале постоянного тока работа входного устройства (схема 8 ) совершенно аналогична, в установившемся режиме, работе
схемы 4. Путем шунтирования входа |
контактом вибропреоб |
|||||||||
разователя |
осуществляется |
модуляция |
постоянного |
напряже |
||||||
ния. |
Цепь, |
состоящая |
из делителя |
R u |
R^ и конденсатора Ск, |
|||||
не влияет |
на коэффициент |
преобразования, |
если не считать |
|||||||
того, |
что |
она |
шунтирует R K. Паразитный сигнал переменного |
|||||||
тока |
(частоты |
50 гц) |
поступает |
через |
R B и Cg |
на сетку |
||||
лампы и через |
Ск на |
катод. При |
этом |
в |
анодной |
цепи соз |
дается составляющая первой гармоники обратной фазы по отношению к составляющей, вызванной сигналом на сетке. Если выбрать коэффициенты усиления по сеточной цепи и по цепи катода равными, то первая гармоника в анодной цепи будет отсутствовать. Таким образом обеспечивается избира тельность схемы против паразитного переменного сигнала несущей частоты.
Расчет условия полной компенсации первой гармоники приводит к следующей формуле:
где р. — статический коэффициент усиления лампы. При вы воде (5.126) предполагалось, что выполняются неравенства:
“•c ‘ (R‘ + i? T T k )> 1 ' |
(5Л27) |
%СгКг > 1 . |
(5.128) |
Заметим, что в случае выбора лампы с |
высоким р усло |
вие (5.126) практически не зависит от параметров лампы, что
является |
существенным |
достоинством рассматриваемой схемы. |
|||||
Входное |
сопротивление состоит из двух параллельно |
||||||
включенных сопротивлений: входного сопротивления |
схемы 4 |
||||||
(табл. 4) |
без |
RB и сопротивления делителя |
R t -|- Rit т. е. |
||||
|
|
R bx = R b |
-Re (R i Ч~ Rs) |
|
(5.129) |
||
|
|
Щ + Ri + R* |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
Условие |
компенсации |
первой |
гармоники |
(5.126) |
остается |
||
в силе при |
со. При этом, |
очевидно, |
RBX имеет макси |
§ 1 7 ] |
БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА |
1 9 1 |
мальное значение, определяемое только свойствами цепи мо дуляции. Для увеличения входного сопротивления цепь мо дуляции по схеме 4 целесообразно заменить схемой 6 (табл. 4), а Да вообще не ставить (схема 9 табл. 4). Условие компен сации первой гармоники в этом случае получается из (5.126) при Д3-»-оо
Д1 = Дд= Дк ( 1 + | ) . |
(5.130) |
Формулы (5.126) и (5.130) выведены в предположении, что фаза паразитного переменного напряжения Оа (схема 9 табл. 4) совпадает с фазой работы вибропреобразователя. Нетрудно показать, что условие компенсации справедливо при произ вольной фазе Uа- Для этого достаточно убедиться, что коэф фициент усиления по сеточной цепи для реактивного напря жения остается тем же, что для активного.
Входное напряжение несущей частоты преобразуется на выходе в напряжение, состоящее из четных гармоник. Наи большую величину имеет вторая гармоника. Передаточный коэффициент для нее при Дд< ^ 2 Дг равен
К н Ъ |
--------------- ------------------------- пГп 5 • (5Л31) |
|
3" (Д„ + Дд)I Rr+ Ra + ( 1 + |
Передаточный коэффициент для сигнала постоянного тока
_ |
v |
V 2 |
2 Rg |
K a = |
Kt |
я |
2 /?? -|-д в |
где Кс — коэффициент усиления каскада для сигнала, посту пающего на сетку лампы. Отсюда коэффициент избиратель ности по второй гармонике равен
sia — |
3 У Т |
Дг (Дд+ Дв) |
• |
(5.132) |
|
2 |
Дд(2 Д„ + Дв) |
|
|
Обычно 2Rg Дв, поэтому |
|
|
|
|
s 12 |
|
|
|
(5.133) |
Как видно из формул (5.132), (5.133), коэффициент избира тельности входной цепи по второй гармонике невелик. Чтобы не вызвать насыщения выходного каскада, усилитель напряжения
1 9 2 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА [гл. V
должен обладать сравнительно узкой полосой пропуска ния. Коэффициент избирательности по второй гармонике уси
лителя напряжения (sa2) может |
быть определен |
из условия |
s 13 |
а вх |
(5Л34) |
где авых — минимально допустимое отношение |
сигнала, соот |
ветствующего порогу чувствительности к помехе двойной частоты на входе усилителя мощности, авх — отношение сигнала, соответствующего порогу чувствительности, к на водке первой гармоники, имеющей место на входе, s13— из бирательность входного устройства по первой гармонике.
Требования к симметрии работы вибропреобразователя остаются такими же, как и при трансформаторном входном устройстве [см. (5.24)]. Некоторым преимуществом схемы 9 является возможность компенсации несимметрии вибропреоб разователя схемным путем. Для этого достаточно сделать Дд
переменным. |
|
|
|
Входное |
сопротивление схемы 9 для постоянного тока такое |
||
же, как |
для |
схемы 6 , т. е. |
R BX = R B-\-2R g. Его величина |
может |
быть |
выбрана весьма |
большой. Однако при работе |
от датчика с очень большим внутренним сопротивлением ди намические свойства схемы хуже, чем схемы 6 .
При скачкообразном включении входного сигнала постоян
ного |
тока Ес напряжение |
Uд Ф £'с. |
Это связано с |
тем, что |
течет ток зарядки конденсатора Ск. |
Учитывая, что |
/?д«=« R K, |
||
можно приближенно считать |
|
|
||
|
UaW - |
2EBReRK |
|
|
|
|
•2RKR |
|
|
|
(Rg + |
+ |
|
|
|
|
|
||
|
EcRg |
|
(5.135) |
|
|
|
|
|
|
|
** + *»( '+ T R |
|
|
|
Если |
Ro^>2Rx., t o |
1 RK |
|
|
|
UA\t-b |
(5.136) |
||
|
:Яв + 2 |
/?к’ |
||
|
|
|
а затем растет по экспоненте приблизительно до Ес с по стоянной времени
TB^ C K(RB + 2RK).
§ 1 7 ] |
БЕСТРЛНСФОРМА'ГОРНЫЕ ВХОДНЫЕ |
УСТРОЙСТВА |
|
1 9 3 |
|||||
Величина |
Ск выбирается |
из |
условия хорошего |
пропускания |
|||||
50-периодной составляющей; |
при |
этом |
ш0Ск (RB-(- 2RK) |
1, |
|||||
и следовательно, постоянная |
времени |
Тв |
много |
больше |
пе |
||||
риода несущей частоты, т. |
е. |
входное |
устройство |
весьма |
|||||
инерционно. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если |
выбрать 2R K^> R B, то переходный процесс |
практи |
|||||||
чески отсутствует, так |
как |
начальное |
и |
конечное значения |
напряжений почти совпадают. Этот метод, однако, плох тем,
что |
с ростом RK падает |
усиление каскада и растут |
наводки |
|
из |
цепи |
накала на катод. |
Имеется другой способ уменьшения |
|
времени |
переходного процесса путем уменьшения |
Ск. Это |
приводит к фазовому сдвигу переменного напряжения в цепи катода. Однако такой же сдвиг можно получить в сеточной цепи, уменьшая Tg= CgRg, и тем самым сохранить условия компенсации первой гармоники.
Приравнивая фазовые сдвиги по обоим каналам, получаем условие для выбора Cg:
(5.137)
откуда
(5.138)
Выбор параметров схемы 9 можно производить в следующей
последовательности: |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
1. |
Выбрать |
RK из |
условий |
нормальной величины |
автома |
||||||
тического |
смещения. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
2. |
Зная |
требуемое |
входное |
сопротивление R BX, |
|
выбрать |
|||||
р __Rbx |
|
Rв |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Kg — |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
3. |
Зная |
RK и |
внутреннее сопротивление |
датчика |
RB, за |
||||||
даться |
Тв— Ск (RB-ф- 2/?к), откуда определяется Ск. |
|
||||||||||
|
4. |
Из |
(5.138) |
определяется |
Cg. |
|
|
|
|
|||
|
5. |
Из |
(5.130) |
определяется |
R д. |
|
|
|
|
|||
|
На |
рис. |
81, а |
дана осциллограмма |
переходного |
процесса |
||||||
при следующих параметрах схемы: R B= |
50 ком, 7?д= |
|
51 ком, |
|||||||||
RK= 50 |
ком, |
Rg = 240 ком, |
Ra= 1 Мом, |
С„ = |
0,5 мкф, |
|||||||
Ск= 1 0 мкф. |
Как видно из рисунка, переходный процесс длит- |
|||||||||||
cif |
сравнительно |
долго, что объясняется зарядкой и |
разряд |
|||||||||
кой |
конденсатора |
Ск. Если параметры выбрать в соответствии |
1 9 4 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА [гл. V
с приведенной выше рекомендацией, то переходный процесс значительно сокращается, как видно из рис. 81, б. Параметры схемы были при этом следующие: R B= 50 ком, R r = 10 ком,
R k= \ Q kom, |
R s = |
2AQkom, Ra = \M o M , Cg = 0,06jwg6, |
Ск = 0,7 лкф , |
7^ = |
0,05 сек. |
П е к
|
а] |
Рвх |
|
|
; 0,1сек |-*- |
^вых |
Ш |
|
Ф
Рис. 81. |
Переходный |
процесс в схеме |
9 (табл. 4) при С К = |
|
= 10 мкф (а), при С к = |
0,7 мкф (б). |
|
В заключение рассмотрения бестрансформаторных входных |
|||
устройств |
усилителей |
автокомпенсаторов постоянного тока |
с низким и средним входным сопротивлением приведем реко мендации по применению различных схем в зависимости от
§ 1 7 J |
БВСТРЛНСФОРМАТОРНЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА |
1 9 5 |
предъявляемых требований. Прежде всего отметим, что все бестрансформаторные входные устройства уступают во многих отношениях трансформаторным. Бестрансформаторные схемы обеспечивают меньшую чувствительность (т. е. меньшее отно шение полезного сигнала к помехам), меньшие коэффициенты передачи и избирательности; В бестрансфсрматорных устрой ствах весьма затруднительно обеспечить разделение входных цепей. Преимущества бестрансформаторных схем состоят в их простоте, нечувствительности к внешним переменным магнит ным полям и возможности обеспечить весьма высокое вход ное сопротивление. Отсюда ясно, что применение бестран сформаторных схем целесообразно, когда эти свойства играют наибольшую роль. В тех случаях, когда во входном сигнале не содержится паразитной переменной составляющей и тре буется обеспечить высокое входное сопротивление при хо роших динамических свойствах, предпочтение следует отдать схеме 6 . Если во входном сигнале содержится паразитное напряжение частоты преобразования, следует применять схему 7 или 9. При этом необходимо учитывать, что схема 9 позво ляет обеспечить лучшие динамические и избирательные свой ства. Однако по уровню внутренних помех и коэффициенту передачи схема 9 уступает схеме 7, что объясняется нали чием в катоде первой лампы (схемы 9) сопротивления R K, незашунтированного емкостью.
Г Л A B A VI
ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ
|
|
|
ПО ТОКУ УСИЛИТЕЛЕЙ |
|
||
|
§ |
18. |
Входные устройства |
с контактным |
|
|
|
|
|
вибропреобразователем |
|
||
Задача |
измерения весьма |
малых |
медленно меняющихся |
|||
токов (порядка |
1СГ10— 10- 1 6 |
а) и э. |
д. с. с большим |
вну |
||
тренним |
сопротивлением приобретает |
в настоящее время |
все |
|||
большее |
значение. Измерение |
малых |
токов оказывается |
не |
обходимым не только при выполнении научных исследова ний, но и в промышленности, особенно в связи с автомати зацией и применением датчиков, использующих радиоактивные изотопы.
Усилители высокой чувствительности по току предназна чены главным образом для работы от датчиков с очень большим внутренним сопротивлением. Входные устройства
таких усилителей должны быть поэтому также |
весьма высо |
|||
коомными (порядка 109 |
ом и выше). |
Это |
необходимо, |
с |
одной стороны, чтобы |
не нагружать |
датчик |
(например, |
в |
/7//-метрии), с другой стороны, чтобы получить большую чувствительность.
Обеспечение высокой чувствительности при большом входном сопротивлении вызывает ряд серьезных трудностей: возрастает уровень различных помех, весьма существенную
роль начинают играть шумы входной |
цепи, резко возрастает |
|||||
дрейф |
нуля, уменьшается коэффициент преобразования, уве |
|||||
личивается входная постоянная времени. |
|
|
||||
Из |
обзора |
входных |
устройств |
усилителей |
постоянного |
|
тока, приведенного в гл. V, видно, что наиболее подходя |
||||||
щими |
для |
высокочувствительных |
по |
току |
усилителей |
|
являются входные цепи |
с динамическим |
конденсатором и с |
§ 1 8 ] УСТРОЙСТВА С КОНТАКТНЫМ ВИБР0ПРЕ0БРА30ВЛТЕЛЕМ 1 9 7
контактным преобразователем. Из устройств с контактным преобразователем явным преимуществом обладает схема 6 (табл. 4) благодаря возможности обеспечить наибольшую величину входного сопротивления при сравнительно высоком коэффициенте преобразования. Рассмотрим особенности ра боты схемы 6 при входном сопротивлении порядка сотен мегом и более.
Выше, при анализе входных устройств, мы не учитывали различные паразитные емкости, в частности, входную емкость
Рис. 82. Схема высокоомной входной цепи с вибропреобразователем с учетом межконтакт ных емкостей.
первого каскада. Однако это допустимо только при входном сопротивлении не свыше нескольких мегом. При входных сопротивлениях 1 0 9 1 0 10 ом должны учитываться все емкости, даже порядка единиц пикофарад. Полная схема входного устройства с контактным преобразователем дана на
рис. 82, |
где |
R B— внутреннее сопротивление |
датчика, |
||||||
С„ — емкость, |
шунтирующая |
вход |
усилителя, включая ем |
||||||
кость подводящего |
кабеля, Ск — емкость входного |
контакта |
|||||||
относительно якоря, |
С3 — суммарная |
емкость |
якоря |
относи |
|||||
тельно заземленного |
контакта |
и емкость относительно |
земли |
||||||
(шасси) провода, соединяющего якорь с |
разделительным |
||||||||
конденсатором |
Cg> |
Сл — входная |
емкость |
лампы |
первого |
||||
каскада, |
Rg — сопротивление |
утечки |
первого |
каскада. |
|
||||
Поскольку |
RB и Rg |
очень велики, на практике |
всегда |
||||||
выполняются неравенства |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
R A C B+ |
Ct) = T B> T a = ± , |
|
|
( 6. 1) |
|||
|
|
|
|
|
|
J О |
|
|
|
( 6.2)