ГЛАВА XIV. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Преобразователи электрических сигналов — устройства, осуществляющие преобразование входного сигнала в эквивалентный ему электрический сигнал другого вида или в соответствующее механическое воздействие.

В соответствии с классификацией, данной в работе [12], электродвигатели, осуществляющие преобразование электрического сигнала в механическое регулирующее воздействие, приложенное непосредственно к объекту регулирования, относятся к классу исполнительных устройств. В связи с этим в § 5 настоящей главы рассматриваются лишь такие преобразователи электрических сигналов в механические, которые используются в электрогидравлических и электропневматических усилителях в качестве управляющих элементов. Отдельные устройства одной и той же системы регулирования могут использовать электрические сигналы различного характера (например, постоянное напряжение, формируемое измерительным элементом, и амплитудно-модулированное напряжение, поступающее на обмотку управления двухфазного асинхронного электродвигателя). Поэтому также рассмотрим общие проблемы, связанные с прохождением управляющего сигнала через преобразующий элемент. Применяемый для этой цели в § 1 частотный подход полностью согласуется с частотным методом исследования САР.

1. МОДУЛЯТОРЫ

Модуляторы являются нелинейными многополюсниками и предназначены для преобразования управляющих медленно меняющихся сигналов постоянного тока, снимаемых обычно с различного рода датчиков или приемников, в сигналы переменного тока пропорциональной величины с фазой, изменяющейся на 180° при перемене полярности управляющего сигнала.

В системах автоматического регулирования применяются модуляторы различных типов. Наибольшее распространение получили двухполупериодные модуляторы, в которых используются полупроводниковые диоды, электронные лампы, полупроводниковые триоды-транзисторы, и реже — варикапы, фотодиоды или фототриоды.

Однополупериодный модулятор на полупроводниковых диодах. Принцип работы однополупериодного модулятора на диодах рассмотрим на примере схемы, приведенной на рис. XIV.1, а.

Рис. XIV. 1. Однополупериодный модулятор: а — схема; б — кривые изменения токов и напряжений

В первом полупериоде опорного напряжения при входном сигнале равном нулю, диоды и открыты и через сопротивление нагрузки протекают одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи следовательно, выходное напряжение

Если входное напряжение то при полярности напряжений, показанной на схеме, ток становится больше тока и выходное напряжение модулятора .

Рис. XIV.2. Эквивалентная схема модулятора

Полярность выходного напряжения определяется направлением большего по величине тока, т. е. полярностью входного напряжения. Кривые изменения токов и напряжения на выходе модулятора во времени показаны на рис. XIV.1, б.

Во втором полупериоде опорного напряжения диоды запираются, и напряжение на выходе модулятора будет малой величины, определяемой разностью обратных токов диодов.

Рассмотрим более подробно эквивалентную схему модулятора, приведенную на рис. XIV.2. В данном случае

Для простоты предположим, что характеристики диодов одинаковы и достаточно точно аппроксимируются выражением:

Активное сопротивление каждой половины вторичной обмотки вместе с внутренним сопротивлением диода обозначим выходное сопротивление источника сигнала добавим к сопротивлению нагрузки и обозначим — При этих условиях и чисто активной нагрузке справедливы уравнения:

Рис. XIV.3. Графики напряжений, действующих на диоды

Через диоды будет протекать ток только тогда, когда Левую часть первых двух уравнений системы (XIV.1) можно представить графически (рис. XIV.3). Пока оба диода не проводят ток

При происходит отпирание диода , а диод остается закрытым, так как (см. рис. XIV.1).

Для этих моментов времени вместо двух уравнений (XIV.1) справедливо лишь первое уравнение, которое можно записать

и

так как

то начальный угол отсечки определяется из соотношения

или

откуда

Момент отпирания диода определится из условия Подставляя значение тока во второе уравнение системы (XIV.1), получим

откуда или приближенно

Из изложенного выше следует, то проводит только диод При проводят оба диода а при снова проводит ток только диод и иеых

Для случая, когда открыты оба диода, решая систему уравнений (XIV.1), получим

Форма выходного напряжения модулятора показана на рис. XIV.4. Если принять то форма импульса на выходе модулятора будет почти прямоугольной, а выходное напряжение можно представить в виде ряда

Рис. XIV.4. Форма импульса на выходе модулятора

Если выделить, например, с помощью фильтра или резонансного усилителя одну из гармоник (обычно первую, так как она имеет наибольшую амплитуду), то, как это следует из выражения (XIV.3), ее амплитуда оказывается пропорциональной входному напряжению

Так как выходное напряжение можно представить следующим образом:

При изменении полярности напряжения фаза первой гармоники изменится на 180°, так как

Уравнение (XIV.4) является приближенным. Точное выражение для амплитуды первой гармоники, полученное в результате разложения импульса выходного напряжения, показанного на рис. XIV.7, в ряд Фурье, имеет вид

где — амплитудное значение напряжения несущей частоты;

R — сопротивление нагрузки;

внутреннее сопротивление диода;

— начальный угол отсечки;

— конечный угол отсечки.

При малых углах отсечки, т. е. когда выражение (XIV.5) полностью совпадает с выражением (XIV.4).

Коэффициент преобразования такого модулятора определится по формуле

Семейство кривых (рис. XIV.5), рассчитанных по формуле (XIV.6), позволяет определить коэффициент передачи модулятора при любом отношении и различных значениях отношения

Рис. XIV.5. Зависимость коэффициента передачи модулятора от уровня входного сигнала при различных отношениях сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению диода

Рис. XIV.6. Зависимость коэффициента передачи от уровня входного сигнала

Следует отметить, что отношение зависит практически только от отношения а коэффициент передачи модулятора только от отношения

Семейство характеристик (рис. XIV.5) использовано для построения зависимости показанной на рис. XIV.6. По этой зависимости можно определить амплитудное значение опорного (несущего) напряжения по известному максимальному значению входного напряжения при заданном завале амплитудной характеристики. Например, нам необходим модулятор, у которого завал амплитудной характеристики при максимальном входном напряжении не должен превышать 3%. На оси ординат отмечаем точку и проводим прямую, параллельную оси абсцисс. Проекция точки пересечения на ось абсцисс определяет необходимое отношение Для нашего примера Если то необходимо взять .

При можно считать, что

Однополупериодный модулятор является наиболее простым. Основные недостатки модулятора следующие: малый коэффициент преобразования, значительные амплитуды высших гармоник и переменный характер нагрузки на генератор опорного (несущего) напряжения.