§ 8.4. Фазочувстительные выпрямители и усилители

Фазочувствительными называются выпрямители, у которых полярность выходного выпрямленного напряжения зависит от фазы, а значение — от амплитуды переменного входного напряжения. Фазочувствительные выпрямители широко распространены в схемах автоматического управления дифференциальным реле, магнитным усилителем и т. д.

Однополупериодный фазочувствительный выпрямитель (фазовый дискриминатор) для маломощных схем, выполненный на полупроводниковых диодах (рис. 8.11, а), работает следующим образом.

В течение положительного полупериода переменного опорного напряжения в точке а, в точке б) при нулевом входном сигнале оба диода открыты и проводят токи и , протекающие через резисторы в направлениях, показанных стрелками. Полагая, что параметры диодов идентичны, при равенстве резисторов и будем иметь равенство токов, т. е. , и напряжений: . Тогда выходное напряжение равно нулю.

Если на вход выпрямителя поступает входной сигнал , совпадающий по фазе с опорным напряжением ( в точке в, в точке г), то ток через диод увеличивается, поэтому .

При противофазном входном сигнале (рис. 8.11, в) ток через диод увеличивается и уменьшается через . В результате выходное напряжение меняет свой знак.

Рис. 8.11.

В течение отрицательного полупериода опорного напряжения оба диода закрыты, и ток через резисторы не протекает. Выходное напряжение равно нулю.

Рис. 8.12.

Схема двухполупериодного фазочувствительного выпрямителя представлена на рис. 8.12. В этой схеме в течение положительного полупериода опорного напряжения в точке а, в точке б) диоды открыты, а диоды закрыты. В отрицательный полупериод напряжения состояния диодов изменяются: закрыты, открыты.

Рис. 8.13.

На практике часто применяется кольцевой фазочувствительный выпрямитель (рис. 8.13). В течение положительного полупериода опорного напряжения в точке а, в точке б) диоды открыты.

Если фаза входного переменного сигнала совпадает с фазой опорного напряжения (в этом случае считаем, что создается в точке в, в точке г), то ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора диод , правую полуобмотку трансформатора и нагрузку .

В отрицательный полупериод опорного напряжения диоды открыты. Ток протекает через нижнюю полуобмотку трансформатора , диод , левую полуобмотку трансформатора и нагрузку .

Рис. 8.14.

В течение обоих полупериодов направление тока, протекающего через нагрузку, не изменяется, поэтому на выходе схемы создается выпрямленное положительное напряжение. При изменении фазы входного сигнала на противоположную изменяется направление тока через нагрузку, а следовательно, и знак выходного напряжения.

Рис. 8.15.

При работе с маломощными источниками входного и опорного напряжений используют фазочувствительные усилители - выпрямители. Примером транзисторного усилителя - выпрямителя является схема рис. 8.14.

Если в первый полупериод знаки переменных напряжений соответствуют обозначенным на рис. 8.14, то транзистор открыт. По цепи, содержащей транзистор, диод нагрузку и диод , протекает ток, превышающий в раз ток во вторичной обмотке трансформатора . В следующий полупериод транзистор закрыт, так как на его базу поступает положительное по отношению к эмиттеру напряжение.

Если фаза входного напряжения изменится на 180° по отношению к фазе опорного напряжения, то в полупериод, когда на базу подается отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение, обеспечивающее открытое состояние транзистора, ток в схеме будет протекать по цепи, содержащей транзистор, диод , нагрузку и диод .

При этом изменится также направление тока через нагрузку, а следовательно, и знак выходного напряжения.

При работе фазочувствительного усилителя на дифференциальную (со средней точкой) нагрузку (обмотки дифференциального реле, обмотки управления магнитных усилителей и т. д.) широко распространена схема усилителя, данная на рис. 8.15.

Рис. 8.16.

В отсутствие входного сигнала (напряжение ) коллекторные токи транзисторов малы. В положительный полупериод переменного опорного напряжения в точке а, в точке б) в зависимости от фазы входного сигнала, протекает ток через VT, или . При этом на выходе схемы создается напряжение, полярность которого зависит от фазы входного сигнала. В отрицательный полупериод опорного сигнала в точке б, в точке а) запираются диоды , препятствуя прохождению тока через транзисторы в обратном направлении

Расчет фазочувствительного усилителя (рис. 8.15) производится по одному из плеч схемы, представляющего собой усилитель среднего значения тока (рис. 8.16, а).

Предположим, что напряжение питания транзистора изменяется по косинусоидальному закону (рис. 8.16, б). Так как на нагрузочном конденсаторе поддерживается постоянное напряжение, а напряжения в течение проводящего полупериода направлены встречно, то коллекторный ток протекает только в пределах угла отсечки 0. В остальное время проводящего полупериода диод в коллекторной цепи транзистора заперт и коллекторный ток отсутствует. Угол отсечки можно определить из формулы

Среднее значение коллекторного тока найдем из формулы

Записав , найдем мощность в нагрузке усилителя среднего тока

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, определяемся из формулы

Взяв интеграл, получим

Формулы (8.44), (8.45) и (8.46) позволяют выбрать оптимальный угол отсечки . Действительно, из формулы (8.44) следует, что при небольших углах отсечки для обеспечения заданного потребуется большая амплитуда коллекторного тока. При больших значениях возрастает амплитуда напряжения питания, необходимая для обеспечения заданной мощности и напряжения .

Формула (8.46) показывает, что мощность рассеяния уменьшается при . Поэтому углы являются оптимальными при расчете параметров усилителя среднего тока.

Недостатком схемы фазочувствительного усилителя (см. рис. 8.15) является ее нечувствительность к малым входным сигналам из-за нелинейности входной характеристики транзистора. Для устранения этого недостатка одну из обмоток трансформатора опорного напряжения включают в базовую цепь транзисторов, создавая напряжение смещения, обеспечивающее достаточное значение базовых токов транзисторов, зависящих от амплитуды и фазы входного сигнала.