Однополупериодные усилители-демодуляторы.

Однополупериодные усилители-демодуляторы, построенные по структурным схемам рис. XIV.21, можно разделить на дифференциальные, у которых токи по нагрузке протекают только в одном полупериоде опорного напряжения, и двухтактные токи в нагрузке протекают в оба полупериода.

Дифференциальные схемы усилителей-демодуляторов могут быть собраны только на двух усилительных элементах, а двухтактные как на двух, так и на одном.

Схемы однополупериодных усилителей-демодуляторов на двух усилительных элементах позволяют одновременно вести управление

как сигналом от источника переменного напряжения (тока), так и сигналом от источника постоянного напряжения (тока).

Примеры реализации схем (рис. XIV.21) однополупериодных усилителей-демодуляторов на транзисторах показаны на рис. XIV.31.

Графики изменения мгновенных значений токов в активной нагрузке в дифференциальных схемах показаны на рис. XIV.32, а, а в двухтактной схеме на рис. XIV.32, б.

В отношении получения среднего значения выходного напряжения (тока) дифференциальные и двухтактные схемы эквивалентны.

Рис. XIV.31. Варианты схем транзисторных однополупериодных усилителей-демодуляторов: а — дифференциальная; в — двухтактные

Однако в дифференциальных схемах при отсутствии входного сигнала и равенстве параметров плеч не только среднее, но и мгновенные значения выходного напряжения (или результирующего тока) равны нулю, а в двухтактных схемах при среднее значение выходного напряжения (тока) тоже равно нулю, но мгновенные значения их могут достигать большой величины и зависят от начального смещения. С целью улучшения выходных параметров и сглаживания пульсации выходного напряжения (тока) параллельно нагрузке усилителя-демодулятора почти всегда включается емкость, но и в этом случае в двухтактных схемах пульсация выходного напряжения (тока) остается значительной.

Однопол у пер йодные усилители-демодуляторы, работающие на нагрузку без средней точки (обмотка якоря или возбуждения электродвигателя, обмотка управления электромеханического преобразователя или магнитного усилителя и т. п.), являются выходными каскадами усилителей мощности и расчет их ведется на

режим максимальной отдачи мощности. При этом одно плечо преобразователя закрыто, а с другого снимается максимальная мощность. В этом случае расчет схемы однополупериодного усилителя-демодулятора сводится к расчету каскада фазочувствительного усилителя-выпрямителя [6], [16].

Более общим случаем является нагрузка со средней точкой, которая может иметь место как в каскадах усиления мощности (обмотки управления ЭМУ, дифференциальным магнитным реле, электромеханическими преобразователями и т. п.), так и в предварительных каскадах усиления и преобразования электрического сигнала.

Рис. XIV.32. Графики изменения мгновенных значений токов при активной нагрузке: а — в дифференциальных схемах; б — в двухтактных

В предварительных каскадах усилителей особенно высокие требования предъявляются к линейности выходной характеристики во всем диапазоне изменения входного сигнала, максимального коэффициента усиления, высокой стабильности нуля и др.

В настоящее время в системах автоматического управления широкое распространение получили усилители-демодуляторы на транзисторах. С целью получения наибольшей отдаваемой мощности и коэффициентов усиления транзисторы обычно включаются по схеме с общим эмиттером. В тех случаях, когда при необходимо равенство не только средних, но и мгновенных значений результирующего тока в нагрузке, применяется дифференциальная схема (рис. XIV.31, а). В этой схеме обязательным является включение начального смещения по величине большего, чем максимальный входной сигнал.

Обычно начальное смещение подается от того же источника переменного напряжения, что и коммутирующее, с помощью

отдельной обмотки во вторичной цепи или с помощью делителя напряжения от обмоток коллекторного питания.

При рассмотрении принципа работы схемы (рис. XIV.31, а) допустим, . В этом случае графики изменения токов в плечах схемы соответствуют графикам, показанным на рис. XIV 32, а. Если входного сигнала нет то в соответствующие полупериоды напряжения при равенстве параметров плеч схемы коллекторные токи будут равны току покоя а напряжение на выходе усилителя-демодулятора равно нулю.

При подаче входного сигнала ток в одном плече (например, в левом увеличивается по сравнению с током покоя а в другом уменьшается . В результате на выходе появится напряжение, пропорциональное разности токов причем полярность выходного напряжения будет определяться большим по величине током. При смене фазы входного сигнала на 180° полярность выходного напряжения изменится на обратную.

В каскадах усиления и преобразования напряжения при расчетах необходимо знать среднее значение выходного напряжения, пропорциональное среднему значению результирующего тока. В каскадах усиления мощности при каждом значении входного сигнала необходимо знать среднее значение результирующего тока или результирующего магнитного потока, который также пропорционален среднему значению результирующего тока в нагрузке.

В свою очередь, среднее значение результирующего тока за период может быть определено как разность средних значений коллекторных токов, прошедших через транзистор

Расчет транзисторных усилителей-демодуляторов основывается на идеализации входных и выходных характеристик транзисторов [11]. Уравнение идеализированной выходной характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, имеет вид

здесь — (при ) — определяет наклон идеализированных выходных характеристик к оси

Уравнение идеализированной входной характеристики может быть представлено в виде

где — определяет наклон идеализированной входной характеристики к оси

ибэо — отрезок (в вольтах), отсекаемый идеализированной входной характеристикой на оси напряжений.

Используя уравнения (XIV.26) и (XIV.27), можно определить среднее значение тока в нагрузке и другие выходные параметры каскада при переменном коллекторном питании.

Среднее значение коллекторного транзистора при переменном коллекторном питании, для любого типа нагрузки может быть выражено следующей формулой [16]:

где — коэффициент, зависящий от вида нагрузки и режима работы транзистора;

— суммарное сопротивление коллекторной цепи;

— выходное сопротивление датчика сигнала.

В уравнении (XIV.28) берется для плеча схемы (рис. XIV.31), у которого напряжение сигнала и коллекторное напряжение совпадают по фазе, — в противофазе.

Найдем среднее значение выходного напряжения и результирующего тока, коэффициент усиления и крутизну выходной характеристики каскада для конкретных видов коллекторных нагрузок в схеме рис. XIV.31, а.

Активная нагрузка может найти применение в предварительных каскадах усиления напряжения. Кроме того, при более сложных видах коллекторной нагрузки расчет можно свести к расчету каскада с активной нагрузкой. При активной нагрузке являются коэффициентами, представляющими собой тригонометрическую функцию, зависящую от угла отсечки коллекторного тока. Для большинства режимов работы усилителей-демодуляторов при управлении только переменным сигналом расчет параметров схем можно вести по упрощенным формулам.

Среднее значение результирующего тока

где так как .

Среднее значение выходного напряжения

Коэффициент усиления по напряжению

Мощности, отдаваемые каскадом в нагрузку и рассеиваемые на коллекторном переходе транзисторов соответственно равны:

Выходное напряжение усилителя-демодулятора при активной нагрузке имеет прерывистый пульсирующий характер с частотой изменения напряжения источника коллекторного питания. Поэтому параллельно активному сопротивлению всегда включают емкость При включении емкости не только сглаживается пульсация выходного напряжения (тока), но и может увеличиваться среднее значение тока, коэффициент усиления каскада и крутизна выходной характеристики.

Среднее значение результирующего тока в этом случае определяется из уравнения:

где — коэффициент, зависящий от и от

График зависимости показан на рис. XIV.33, а.

Среднее значение выходного напряжения

Коэффициент преобразования по напряжению при активноемкостной нагрузке

Пульсация выходного напряжения (тока) будет наибольшей при максимальном значении входного сигнала когда одно плечо усилителя-демодулятора проводит наибольший ток, а другое плечо — наименьший (т. е. практически закрыто).

Коэффициент пульсации тока (или напряжения) на нагрузке, под которым будем понимать отношение амплитуды переменной составляющей тока к среднему значению можно определить по графику (рис. XIV.33, б) или приближенно с точностью до 5 - 10% по формуле

Активно-индуктивная нагрузка в однополупер йодных усилителях-демодуляторах встречается редко. Расчетные соотношения для этого случая даны в работе [16]. При активно-индуктивной нагрузке

с параллельно-включенной емкостью вида при с достаточной для практики точностью расчет выходных параметров однополупериодных схем усилителей-демодуляторов можно вести по тем же формулам, что и для каскада с активной нагрузкой если или по формулам для активно-емкостной нагрузки, если Величина активного сопротивления в этих случаях берется равной активному сопротивлению обмотки индуктивности.

Рис. XIV.33. График зависимости:

Как было показано выше, в дифференциальных схемах однополупериодных усилителей-демодуляторов начальное смещение вводится с целью устранения нелинейности выходной характеристики и устранения паразитных базовых токов. В этом случае при отсутствии входного сигнала протекают большие коллекторные токи покоя, разность которых определяет величину остаточных токов и зависит от идентичности параметров транзисторов.

Необходимую стабильность начальных параметров схемы получают, как обычно, включением в цепь эмиттера сопротивления При этом в расчетных соотношениях необходимо брать:

а также вместо подставлять

В отношении стабильности начальных параметров схемы и устранения паразитных базовых токов лучшими свойствами обладают двухтактные схемы однополупериодных усилителей-демодуляторов, построенные на одном усилительном элементе (рис. XIV.31, б, в). В этих системах в оба полупериода и при любой фазе напряжения входного сигнала коллекторная цепь может проводить ток. Остаточный ток в данных схемах не зависит от параметров транзисторов и определяется только разностью обратных токов диодов, достигая нескольких десятков микроампер [6].

На рис. XIV.31, б, в токи, протекающие через транзистор в первый полупериод коллекторного напряжения, показаны сплошными стрелками, а во второй — штриховыми.

Расчетные выражения для двухтактных схем однополупериодных усилителей-демодуляторов с нагрузкой со средней точкой практически полностью совпадают с уравнениями для дифференциальных схем.

Начальное смещение в двухтактных схемах применяется в двух случаях: а) с целью уменьшения нелинейности выходной характеристики усилителя-демодулятора, получающейся из-за нелинейности начального участка входной характеристики транзистора; б) для увеличения крутизны выходной характеристики.

Рис. XIV.34. Зависимость вида идеализированной выходной характеристики от положения рабочей точки: а — выходные характеристики плеч; б — результирующая выходная характеристика

На рис. XIV.34 показано, как выбор начальной рабочей точки в усили-телях-демодуляторах влияет на крутизну и линейность выходной характеристики.

Примеры реализации структурных схем (см. рис. XIV.21) однополупериодных усилителей-демодуляторов на электронных лампах показаны на рис. XIV.35. Основные соотношения для расчета однополупериодных схем усилителей-демодуляторов на электронных лампах будут иметь вид, аналогичный транзисторным с соответствующей заменой параметров [9]: