§ 6.6. МАГНИТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

С появлением дешевых малогабаритных интегральных усилителей электрических сигналов изменился подход к построению преобразователей, основанных на использовании различных физических явлений, в том числе и широко распространенных магнитных преобразователей. Оказалось целесообразнее, дешевле и проще требуемые характеристики магнитных преобразователей получать не за счет их конструктивного выполнения, а за счет введения электронного усилителя, охватывающего магнитный преобразователь цепью ОС или создающего эффекты введения в цепь отрицательных сопротивлений или проводимостей. Преобразователи сигналов, в состав которых входят магнитные и электронные компоненты, включенные так, что один или оба одновременно влияют на характеристики преобразования, называются магнитоэлектронными.

Рис. 6.27. Увеличение значения индуктивности за счет введения в цепь катушки напряжения (а), тока (б); компенсация активного сопротивления провода катушки (в); эквивалентная схема индуктивной части (г)

Применяя магнитоэлектронные преобразователи, можно создать высокодобротные индуктивности, высокоточные и высокостабильные преобразователи переменного тока и напряжения, преобразователи постоянного тока и магнитных величин, а также различные датчики физических величин с индуктивными элементами. Они полезны при создании усилителей, у которых одна часть гальванически развязана от другой. Такие развязывающие усилители широко применяются в устройствах, к помехам типа «большое синфазное напряжение», и при обеспечении защиты от высоких разностей напряжений между входной и выходной цепями.

Основные приемы, используемые при построении магнитоэлектронных преобразователей, рассмотрим на конкретных примерах.

Схемы магнигоэлектронных катушек индуктивности приведены на рис. 6.27, а, б, в. Электронная часть в схемах рис. 6.27, а, б обеспечивает увеличение значения индуктивности L приблизительно в К раз, где К — коэффициент усиления усилителя. В схеме рис. 6.26, в с помощью усилителей с единичным коэффициентом усиления по напряжению компенсируется активное сопротивление провода катушки индуктивности L. Характерной особенностью магнитоэлектронной катушки индуктивности является то, что вместе с ней выполняется вторая обмотка 2. С целью упрощения будем считать, что число ее витков равно числу витков катушки индуктивности . Для схем рис. 6.27, в это условие является принципиально важным, для других (рис. 6.27, а, б) — может не выполняться.

Рис. 6.28. Магнитоэлектронные трансформаторы напряжения: а с повышенной точностью передачи; б - с высоким входным сопротивлением; в — с условно-устойчивым усилителем

Если обмотки 7 и 2 намотаны вместе и пронизываются одним магнитным потоком, то их индуктивности рассеивания стремятся к нулю, а ЭДС обмотки 2 равна падению напряжения на индуктивности . При ЭДС обмотки 2 равна падению напряжения на взаимоиндуктивности М. В схемах рис. 6.27, 6.28, 6.29 дополнительная обмотка 2 подключена к электронным узлам, имеющим настолько большое входное сопротивление, что можно пренебречь создаваемой ими нагрузкой и считать, что равно падению напряжения на взаимоиндуктивности М.

При учете этого для цепи рис. 6.27, а справедливо уравнение

(6.126)

где — коэффициент усиления усилителя; провода обмотки 1. Отсюда

Рис. 6.29. Магнито-электронный преобразователь тока (а); трансформатор напряжения, имеющий повышенную точность (б)

(6.127)

Из (6.127) видно, что электронный усилитель увеличиваем в раз взаимоиндуктивность М, которая в первом приближении равна индуктивности L. Это происходит потому, что напряжение усилителя, точно повторяющее падение напряжения на взаимоиндуктивности, вычитается из входного напряжения. Соответственно ток катушки индуктивности уменьшается, как было бы в случае, если бы вследствие увеличения ее числа витков индуктивность повысили в раз. Максимальное значение , при котором сохраняется устойчивость, зависит от частотной характеристики усилителя и внутреннего сопротивления цепи, к которой подключена катушка. Для большинства случаев находится в пределах .

Аналогично рассмотренному работает схема рис. 6.27, о. Ее отличие заключается в том, что дополнительный сигнал, меняющий параметры катушки индуктивности для источника сигнала , введен в обмотку 2 в виде тока, повторяющего по форме ток катушки L. Усилители и , включенные преобразователями ток — напряжение и напряжение — ток, можно рассматривать как усилитель тока с коэффициентом усиления по току и входным сопротивлением . С учетом того, что ток обмотки 2 создает на взаимоиндуктивности М дополнительное падение напряжения , для этой цепи можно записать уравнение

(6.128)

откуда

(6.129)

Из (6.129) видно, что при схемы рис. 6.27, а, б, полностью эквивалентны по параметрам.

В них благодаря введению электронной части в К раз увеличились значения индуктивности и добротности и появилась возможность плавно регулировать значение индуктивности с помощью изменения коэффициента усиления усилителей.

В схеме рис. 6.27, в усилители выполняют роль конвертора отрицательного сопротивления (КОС), так как в цепь выхода вводится дополнительное напряжение, равное падению напряжения на активном сопротивлении провода и индуктивности рассеивания и имеющее противоположный знак. Результирующее падение напряжения на этих элементах равно нулю с точки зрения входного сигнала. Поэтому если выходное сопротивление ОУ стремится к нулю, то у катушки индуктивности можно получить большую добротность. Усилитель и дифференциальным высокоомным входом выделяет падение напряжения на сопротивлении .

Для этого его входы соединены с включенными встречно обмотками 1 и 2. ОУ имеет единичный коэффициент усиления и малое выходное сопротивление . Его выходное напряжение включено последовательно с входным:

При

(6.131)

Используя усилители с выходным сопротивлением в сотые — тысячные доли Ом, можно получить катушки индуктивности, имеющие значения добротности, которых нельзя достигнуть технологическим путем. Важными преимуществами схемы рис. 6.27, в являются абсолютная устойчивость и хорошие частотные характеристики у усилителей с единичным усилением. Этот прием компенсации активного сопротивления провода обмотки можно использовать для любых индуктивных компонентов и их любых обмоток. Следует отметить, что потери в ферромагнитных магнитопроводах с помощью рассмотренных схем не устраняются.

Магнитоэлектронные трансформаторы напряжения приведены на рис. 6.28, а, б, в. В них использовано то свойство трансформатора, что ЭДС его вторичных обмоток относятся между собой как числа их витков. Поэтому если ЭДС обмотки 2, имеющей то же число витков, что и обмотка 1, равна входному напряжению, то ЭДС всех остальных обмоток будут пропорциональны входному сигналу. Причем коэффициент пропорциональности равен отношению чисел витков и не меняется при изменении параметров магнитопровода и активных сопротивлений обмоток. Если падение напряжения на взаимоиндуктивности М (рис. 6.27, г) равно , то ЭДС всех вторичных обмоток строго пропорциональна входному сигналу. Так как числа витков обмоток 1 и 2 равны, то эквивалентная схема рис. 6.27, г справедлива для этого случая. Причем учет других вторичных обмоток можно выполнить подключая к взаимоиндуктивности М их приведенные активные сопротивления и индуктивности рассеивания.

В схеме рис. 6.28, а из входного напряжения вычитается падение напряжения на взаимоиндуктивности М, равное ЭДС обмотки 2. Оно подается на вход усилителя и равно

(6.133)

После усиления в раз это напряжение прикладывается к обмотке 1, увеличивая приложенное напряжение до значения

Следовательно, падение напряжения на взаимоиндуктивности М

(6.134)

Из (6.134) видно, что при и погрешности преобразования напряжения практически отсутствуют. На практике устойчивая работа цепи обеспечивается при и соответственно влияние активного сопротивления обмотки и сопротивления индуктивности рассеивания уменьшается только в 100—200 раз. Поэтому при необходимости повысить точность следует применять комбинацию схем рис. 6.27, в и 6.28, а.

Входное сопротивление такого магнитоэлектронного преобразователя равно его индуктивному сопротивлению: . Поэтому данную цепь можно также использовать индуктивности.

При необходимости обеспечить точное преобразование напряжения и высоком входном сопротивлении можно использовать схему рис. 6.28, 6. В ней входное сопротивление магнитоэлектронного преобразователя благодаря последовательной ОС больше входного сопротивления усилителя в раз. Это происходит вследствие того, что почти все входное напряжение уравновешивается ЭДС обмотки 2.

Недостатком обеих рассмотренных схем являются трудности с обеспечением устойчивости при больших коэффициентах усиления. Их можно существенно уменьшить, применяя условно устойчивые электронные усилители (рис. 6.28, в). В этой схеме усилители с единичными коэффициентами усиления охвачены -ной положительной ОС и сохраняют устойчивость только в составе всей цепи. Если отключить обмотку 2, то устойчивость будет потеряна и усилители возбудятся. Поэтому их называют условно устойчивыми. При выполнении условия

(6.135)

( — выходное сопротивление усилителя) цепь будет абсолютно устойчива, несмотря на то что эквивалентный усилителя со -ной положительной ОС имеет большое значение. Это обусловлено тем, что глубина отрицательной ОС, вводимой с обмотки 2, больше глубины положительной ОС. Хорошие частотные характеристики усилителей с единичным коэффициентом усиления позволяют при использовании данной схемы создавать высококачественные устройства без тщательного подбора и коррекции характеристик активных компонентов.

На рис. 6.29, а приведена схема магнитоэлектронного трансформатора тока, который может работать как преобразователь ток — напряжение. Принцип его работы тот же, что и у трансформатора тока. Преобразуемый ток создает намагничивающую силу , которая индуцирует ЭДС в обмотке 2. Эта ЭДС после усиления электронным усилителем создает встречно направленную намагничивающую силу . В итоге в магнитной системе в любой момент времени действует намагничивающая сила

(6.136)

которая индуцирует в обмотке 2 ЭДС

(6.137)

где А — коэффициент пропорциональности.

Ток на выходе усилителя с высоким выходным сопротивлением

(6.138)

Так как порождает намагничивающую силу то в любом случае . Следовательно,

(6.139)

При увеличении коэффициента усиления усилителя ток увеличивается, но значение его не может быть выше . Это говорит о том, что увеличение приводит к уменьшению и при намагничивающий ток стремится к нулю. При выражение для намагничивающих сил преобразуется к виду

(6.140)

Таким образом, коэффициент преобразования тока в магнитоэлектронном преобразователе не зависит от параметров магнитной системы и сопротивлений обмоток, а определяется только отношением чисел соответствующих витков. Если последовательно с обмоткой 3 включить активное сопротивление и измерять на нем падение напряжения , то получим преобразователь ток — напряжение.

Если требуется получить параметры, которые единичный магнитоэлектронный преобразователь обеспечить не в состоянии, то следует применять структурные методы повышения точности, рассмотренные в § 6.1. В этом случае обычно не требуется вводить специальные обратные преобразователи, так как их роль может выполнить дополнительная обмотка с соответствующим числом витков. Не представляет труда и точное суммирование напряжений.

На рис. 6.29, б приведена схема точного магнитоэлектронного трансформатора напряжения, выполненного по структурной схеме рис. 6.7, а. В нем роль обмотки ОС и обратного преобразователя выполняет обмотка 2. На входе усилителя имеется сигнал погрешности преобразования, который усиливается вторым каналом, идентичным первому. Суммирование сигнала погрешности с обмотки 3 с основным сигналом, снимаемым с обмотки 3, осуществляется последовательным соединением этих обмоток. Подобный сумматор предельно прост и не имеет погрешностей, присущих электронным устройствам. Увеличивая количество каналов можно создать прецизионные трансформаторы. Аналогично рассмотренному выполняются прецизионные трансформаторы тока.

Рассмотренные схемы имеют элемент общего: с помощью соответствующего включения дополнительной обмотки, аналогичной основной и работающей на холостом ходу, выделяется сигнал погрешности преобразования. Он преобразуется электронной частью и вводится в цепь индуктивного компонента в виде или дополнительного напряжения, или тока, уменьшающих значение погрешности интересующего параметра. При этом используются или обратная связь, или КОС, или конверторы отрицательной проводимости (не рассмотрены).

При создании конкретных устройств используются как отдельные из рассмотренных приемов, так и их комбинации. В низкочастотных преобразователях широко применяют ОУ вместе с мощными выходными бестрансформаторными каскадами. При этом стремятся не применять разделительные конденсаторы, особенно во входной и выходной цепях. В схемах с условно устойчивыми усилителями необходимо иметь один разделительный конденсатор. Предпочтение следует отдавать тем схемам с ОС, где дополнительный сигнал вводится в форме тока в связи с их лучшей устойчивостью. При создании широкополосных преобразователей лучшие результаты дает применение КОС или комбинированное сочетание КОС и ОС.

В качестве индуктивных компонентов магнитоэлектронных устройств могут быть использованы катушки индуктивности и трансформаторы из микропровода, а также индуктивные элементы, выполненные по интегральной технологии. Это открывает возможность их микроминиатюризации и автоматизации производства.