Демодуляторы на транзисторных ключах.

В системах автоматического управления в последнее время широкое применение получили демодуляторы, построенные на транзисторных ключах.

Рис. XIV.39. Примеры схем ламповых двухполупериодных усилителей-демодуляторов

Основными преимуществами демодуляторов этого типа является высокий коэффициент преобразования сигнала, высокий к. п. д. схемы (малое потребление мощности), малые габариты и вес, высокая надежность, долговечность и быстродействие. К недостаткам демодуляторов на транзисторных ключах следует отнести зависимость параметров транзисторов от изменения температуры, что в ряде схем приводит к значительному изменению уровня остаточных выходных токов и напряжений.

В основе построения рассматриваемых типов демодуляторов лежит использование свойств транзисторных ключей, описанных в предыдущем параграфе. Основная особенность демодуляторов на транзисторных ключах заключается в том, что источник сигнала и нагрузка включаются последовательно в цепь коллектор — эмиттер, а опорное (коммутирующее) напряжение подается в цепь эмиттер — база или коллектор — база.

Если демодулятор расположен близко к входу усилительного устройства, то наиболее рациональными схемами демодуляторов, также как и модуляторов, являются такие, у которых используется инверсное встречно-последовательное включение транзисторов,

(инверсный двухтранзисторный ключ, рис. XIV. 14, а). В тех же случаях, когда демодулятор расположен в конце усилительного тракта системы и уровень остаточных токов и напряжений мал по сравнению с преобразуемым сигналом, целесообразно применять двухтранзисторный ключ с нормальным включением транзисторов.

Рис. XIV.40. Однополупериодные демодуляторы на транзисторных ключах: а — нагрузка без средней точки; б — нагрузка со средней точкой

При этом цепь коммутации получается более экономичной.

Однополупериодная схема демодулятора, работающего на нагрузку без средней точки, приведена на рис. XIV.40, а, а при нагрузке со средней точкой — на рис. XIV.40, б.

Рис. XIV.41. Двухполуперйодные демодуляторы на транзисторных ключах: а — нагрузка без средней точки; б — нагрузка со средней точкой

Соответствующие двухполупериодные демодуляторы получаются удвоением этих схем (рис. XIV.41). Как правило, однополупериодные схемы применяются при мощности в нагрузке, не превышающей 1—2 вт. Пульсация выпрямленного тока (напряжения) сглаживается включением емкостей, шунтирующих нагрузку. Двухполупериодные схемы демодуляторов применяются при достаточно больших значениях выходной мощности и в тех случаях, когда к демодулятору предъявляются требования высокого быстродействия. При этом

емкости, шунтирующие нагрузку, не ставятся вообще либо берутся малой величины.

На рис. XIV.42 приведена схема с бестрансформаторным входом. Она особенно выгодна в предварительных каскадах усиления, когда сигнал поступает с выхода усилителя низкой частоты. При этом схема получается более надежной и помехозащищенной. Если сигнал, подаваемый на вход демодулятора, синусоидальной формы, то опорное напряжение или может подаваться как от источника прямоугольных, так и синусоидальных колебаний.

Оптимальная работа транзисторного ключа обеспечивается в том случае, когда коммутирующее напряжение представляет собой колебания или импульсы (при однополярной коммутации, см. § 2 настоящей главы) прямоугольной формы.

Рис. XIV.42. Двухполупериодная схема демодулятора с бестрансформаторным входом

На выходные параметры демодуляторов большое влияние оказывает сдвиг по фазе между опорным напряжением и напряжением входного сигнала. Наличие угла сдвига фазы приводит к уменьшению коэффициента преобразования демодулятора, а значит и к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения (тока). Сдвиг по фазе возникает, когда датчик сигнала и трансформатор опорного напряжения питаются от одного источника. Величину угла следует учитывать, если между датчиком сигнала и входным трансформатором включен усилитель низкой частоты.

Основным параметром, характеризующим ключевой демодулятор, является коэффициент преобразования, под которым будем понимать отношение среднего значения напряжения на нагрузке к действующему значению напряжения на входе [15]. При прямоугольной форме опорного напряжения коэффициент преобразования

где — выходное сопротивление транзистора в насыщенном состоянии.

Максимальное значение в двухполупериодной схеме и активной нагрузке может быть доведено до а в однополупериодной схеме до 0,45.

При наличии сглаживающей емкости достаточно большой величины выпрямленное напряжение на нагрузке в однополупериодном демодуляторе

а коэффициент преобразования при активно-емкостной нагрузке в однополупериодном демодуляторе имеет следующий вид:

Из этого уравнения видно, что при в однополупериодной схеме значение Кдкс может быть доведено до 0,9. Максимальный коллекторный ток, протекающий по транзисторам,

Необходимо учитывать, что к запертому транзистору в схеме рис. XIV.40 и XIV.41 прикладывается удвоенное напряжение

Ток базы, необходимый для насыщения двухтранзисторного ключа, определится транзистором, который находится в обратном включении:

Принимая сопротивление ключа в открытом состоянии и активное сопротивление обмоток входного трансформатора равным нулю, коэффициент трансформации можно определить из равенства

Для обеспечения стабильности параметров демодуляторов при изменении температуры в цепь базы транзисторов необходимо включать сопротивление При малых входных сигналах в величина должна быть большой (на порядок выше входного сопротивления транзистора). В схемах на германиевых транзисторах (типа рекомендуется выбирать , а для кремниевых (типа и др.) — . Если входной сигнал , то сопротивление выполняет также функции ограничителя тока и величина его зависит от значения коммутирующего напряжения, которое в этом случае рекомендуется брать минимальным: . Тогда значение сопротивления в цепи базы определяется из уравнения

При отсутствии источника прямоугольных колебаний в качестве опорного напряжения можно использовать источник синусоидального напряжения. Рассмотрим условие обеспечения нормальной работы транзисторов в режиме ключа в схемах демодуляторов при синусоидальном опорном напряжении на примере однотранзисторного ключа, показанного на рис. XIV.43. При помощи графического построения, которое выполним на семействе идеализированных коллекторных характеристик транзистора покажем

особенности выбора соотношения между амплитудами и при различных значениях сопротивления чтобы в любой момент транзистор работал в режиме насыщения, а значения коллекторного тока находились на линии Поскольку при построении используются идеализированные выходные характеристики, то вместо линии границы насыщения будем определять положение рабочей точки относительно линии

На семействе выходных характеристик выбранного транзистора (рис. XIV.44, а) проводим нагрузочную характеристику по параметрам Пересечение нагрузочной прямой с линией ОА дает значение базового тока, необходимого для насыщения транзистора. Если задано то Отметив на входной характеристике точку проводим нагрузочную линию (по известным или выбранным значениям или

Рис. XIV.43. Схема однотранзисторного ключа

Рис. XIV.44. Построение линий зависимости коллекторного тока от а — семейство выходных характеристик; б — идеализированная входная характеристика

После этого под входными и выходными характеристиками строим по оси времени в одинаковом масштабе зависимости Далее на входной характеристике откладываем значения базовых токов из этих точек проводим нагрузочные

линии, параллельные прямой отмечаем (в направлении, указанном стрелками) точки на синусоиде а также на оси из этих точек проводим нагрузочные линии, параллельные линии до пересечения с выходными характеристиками для соответствующих значений базовых токов; через полученные точки проводим штриховую линию. Последняя определяет мгновенные значения токов на выходных характеристиках. При этом в точке А ток . В других случаях транзистор не будет насыщен. Чтобы обеспечить насыщение транзистора в любой момент времени, необходимо увеличить значение Иопт или же, оставляя уменьшить величину

Для расчета можно рекомендовать следующие соотношения

при условии, что

где — значение напряжения в точке В (рис. XIV.44, б).

Если это соотношение не удовлетворяется, то нужно увеличить значение . В схемах двухтранзисторных ключей при наличии входных и выходных характеристик для инверсного включения транзистора можно определить аналогичным графическим построением. При отсутствии таких характеристик необходимо определить затем, выбрав величину , найти