Двухполупериодные демодуляторы на диодах.

Более широкое распространение получили двухполупериодные демодуляторы.

Принцип работы и основные параметры двухполупериодных демодуляторов рассмотрим на примере кольцевой схемы и схемы с двумя выпрямительными мостиками (структурные схемы рис. XIV.22, а и б), дол учивших наибольшее применение в системах автоматического управления [2].

В кольцевой схеме (рис. XIV.22, а) вид нагрузки определяет количество источников коммутирующего напряжения и сигнала. Если нагрузка со средней точкой (элемент ), то требуется один источник напряжения сигнала (элемент ) и два источника коммутирующего напряжения (элемент ) или наоборот.

Рис. XIV.25. Кольцевая схема двухполупериодного демодулятора на диодах: а — принципиальная схема; б — расчетная схема; в — кривые изменения выходного напряжения; г — выходная характеристика

Принципиальная и расчетная схемы кольцевого демодулятора, работающего нагрузку без средней точки, приведены на рис. XIV.25, а, б. При входном сигнале, равном нулю, и мгновенной полярности напряжений, соответствующей первому полупериоду коммутирующего напряжения, открыты диоды (рис. а диоды закрыты, во втором полупериоде — наоборот. При этом в оба полупериода коммутирующего напряжения ток в нагрузке отсутствует. При и направление тока в оба полупериода на рис. XIV.25, б показано стрелками. Если фазу входного сигнала изменить на обратную, то изменится направление тока в нагрузке в оба полупериода (рис. XIV.25, в).

Нетрудно убедиться, что в каждый полупериод схема представляет собой однополупериодный демодулятор (рис. XIV.21, а).

На рис. приведена расчетная схема кольцевого демодулятора, причем штриховой линией изображена та часть схемы, по которой в первый полупериод токи не протекают.

Полагая, что сопротивление диодов в проводящем направлении мало, а в непроводящем — равно бесконечности, и сдвиг фазы или , а также пренебрегая омическим сопротивлением вторичных обмоток трансфоматоров, получим аналитические зависимости, связывающие параметры схемы. С целью ограничения токов во внешнем контуре включается добавочное балластное сопротивление . В схеме рис. XIV.25, а, б сопротивление

Составляя уравнения напряжений для контура абвга и абеда (рис. XIV. 25, б), после преобразований получим уравнение для мгновенного значения тока, протекающего в нагрузке:

Действующее значение тока в нагрузке и выходное напряжение

Из этих выражений видно, что при ток нагрузки и выходное напряжение не зависят от а выходная характеристика будет иметь вид, показанный на рис. XIV.25, г.

Рассматривая контур адега, можно получить условие запирания диода

Отсюда следует, что необходимое соотношение между величиной максимального сигнала в демодуляторе и коммутирующим напряжением определяется равенством

Очевидно, что

Если это неравенство не будет соблюдено, то диод будет открыт и ток потечет в направлении, противоположном направлению основного тока. Это приведет к уменьшению выходного напряжения, увеличению мощности, потребляемой от источника сигнала, уменьшению коэффициента преобразования и к. п. д. схемы.

Если допустить, что то управление диодами будет осуществляться источником сигнала, а не коммутирующим напряжением и они как бы поменяются местами. Величина выходного напряжения при этом будет пропорциональна значению

На рис. XIV. 26, а показана зависимость выходного напряжения от отношения

Рассматривая контурадеба (рис. XIV.25), определяем максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диодам:

Максимальный ток, протекающий по диоду,

Рис. XIV.26. Двухполупериодный кольцевой демодулятор на диодах: а — зависимость выходного напряжения от соотношения . б — зависимость

Основным параметром, характеризующим работу демодуляторов, является коэффициент преобразования (передачи) под которым понимают отношение среднего значения напряжения на нагрузке к действующему значению напряжения на половине вторичной обмотки входного трансформатора:

где - коэффициент формы тока переменного сигнала (для синусоидального тока

Из уравнения (XIV.23) следует, что коэффициент передачи не зависит от отношения Однако из-за нелинейности вольт-амперной характеристики реального диода коэффициент передачи демодулятора является некоторой функцией этого отношения. Зависимость показана на рис. XIV.26, б, где — реальный

коэффициент усиления, максимальный коэффициент передачи, определяемый из выражения (XIV.23):

При расчете демодуляторов находят к. п. д. по коммутации и к. п. д. по выпрямлению. Под к. п. д. по выпрямлению понимают отношение мощности постоянной составляющей выделяемой на нагрузке, к мощности, потребляемой от источника сигнала (без учета к. п. д. входного трансформатора) т. е.

Под к. п. д. по коммутации понимают отношение мощности к мощности потребляемой от источника опорного (коммутирующего) напряжения (без учета к. п. д. трансформатора). При коммутирующем напряжении, равном получим

Рис. XIV.27. Зависимость основных параметров кольцевого демодулятора от

На рис. XIV.27 приведены расчетные графики зависимости от коэффициента для случая преобразования синусоидального напряжения. Обычно берут от 0,7 до 2.

Входное сопротивление демодулятора

Если демодулятор включается в промежуточных каскадах, то, приступая к проектированию схемы, расчетчик не знает значений которые связаны одним уравнением:

Значение Р можно задать из условия получения требуемых параметров по рис. XIV.27. Однако и остаются неизвестными. Поэтому, если известно необходимое соотношение где — выходное сопротивление датчика, то при расчетах схемы демодулятора весьма полезным оказывается уравнение

где коэффициент трансформации входного трансформатора.

Большое распространение в системах автоматики получили схемы на двух выпрямительных мостах, построенные по структуре, представленной на рис. XIV.22, б.

Принципиальная и расчетная схемы для нагрузки без средней точки показаны на рис. XIV.28. Коммутирующее напряжение в первый полупериод отпирает один мостик (положим и запирает другой во второй полупериод — наоборот. Если схема симметрична, то ток в нагрузке от источников коммутирующего напряжения отсутствует. Поэтому при тока в нагрузке нет, а при ток в нагрузке течет в оба полупериода в одном направлении (рис. XIV.28, б). Изменение фазы входного сигнала на 180° приведет к изменению направления тока в оба полупериода.

Рис. XIV.28. Схема двухполупериодного демодулятора на двух выпрямительных мостиках: а — принципиальная; б — расчетная

Составляя уравнение напряжений для контуров абвгде и абва и имея в виду, что после преобразований получим

а

Из этого уравнения следует, что ток не зависит ни от ни от добавочного сопротивления (при правильном выборе их величины).

Рассматривая контур дежзик из условия запирания диодов получим

Так как то

Наибольшее обратное напряжение прикладываемое к диодам схемы, находится из контура дежизк с учетом выражений (XI V.24) и (XIV.25).

Максимальное значение тока, протекающего по диодам

Величина балластного сопротивления определяется из неравенства

Основные параметры, характеризующие работу демодулятора с двумя выпрямительными мостами, аналогичны кольцевой схеме:

Графики зависимости показаны на рис. XIV.29.

Сравнивая параметры схем кольцевого демодулятора и демодулятора с двумя выпрямительными мостами, можно отметить, что к. п. д. по коммутации второй схемы почти в 4 раза больше первой. Причем у схемы с двумя выпрямительными мостами максимальные значения получаются при одном значении и легко реализуются, так как обычно . У кольцевой же схемы максимум получается при существенно различных значениях причем Поэтому кольцевую схему целесообразно применять только при высокоомной нагрузке и в маломощных преобразователях. Схемы с двумя выпрямительными мостами могут быть применены как при высокоомной, так и при низкоомной нагрузке с сравнительно высоким к. п. д. (до 40%). Однако кольцевая схема более термостабильна, так как и температурные изменения не приводят к разбалансу

Рис. XIV.29. Зависимость основных параметров схемы на двух выпрямительных мостах от

схемы, что имеет место в схеме с двумя выпрямительными мостами.

Крестообразная схема двухполупериодного демодулятора применяется только для нагрузки со средней точкой (рис. XIV.22, в). Основное достоинство этой схемы состоит в том, что, выбирая место расположения и соответствующие полярности напряжений можно получить любое сочетание очередности протекания токов в плечах нагрузки в оба полупериода опорного напряжения.

Схемы с параллельным включением диодов (рис. XIV.22, г) особых достоинств не имеют и большого применения не нашли.

Рис. XIV.30. Схемы демодуляторов с суммирующими трансформаторами: а — однополупериодная; б — двухполупериодная

Возможно также построение однополупериодных и двухполупериодных демодуляторов с суммирующими трансформаторами, построенных по схемам (рис. XIV.21, а, в и XIV.22). В качестве примера приведены схемы на рис. XIV.30. Основным достоинством этих схем является использование двух одинаковых трансформаторов, суммирующих на вторичной обмотке входное и коммутирующее напряжения.