3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЛИНЕАРИЗОВАННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ РЕЛЕ

В схеме релейного усилителя с поляризованным реле (рис. VII. 12, а) имеется линеаризующая обмотка, на которую подается вспомогательное напряжение переменного тока с неизменной амплитудой и частотой Частота линеаризующего напряжения

должна быть такой, чтобы длительность полупериода была бы существенно больше (в 5—10 раз) времени срабатывания реле. Для четкого воспроизведения сигнала требуется, чтобы частота линеаризующего напряжения была бы также больше максимальной частоты входного напряжения. Поэтому длительность полупериода максимальной частоты, пропускаемой усилителем должна быть минимум в 15 раз больше времени срабатывания реле, т. е. к быстродействию реле предъявляются более высокие требования, чем при использовании их непосредственно в качестве релейного усилителя.

Если входной сигнал равен нулю и управляющий магнитный поток в поляризованном реле создается только линеаризующей обмоткой, то реле переключает свои контакты в каждый полупериод линеаризующего напряжения, причем длительность замыкания верхнего и нижнего контактов будет одинаковой.

Рис. VII. 12. Схемы линеаризованных релейных усилителей: а — с двухпозиционным поляризованным реле и внешними колебаниями; б — с трехпозиционным поляризованным реле и обратной связью

Нагрузка которая получает питание от вспомогательного источника постоянного тока включена так, что при замыкании верхнего контакта на выходе появляется импульс одного (условно-положительного) знака, а при замыкании нижнего контакта — другого (условноотрицательного) знака. Амплитуды и длительности этих импульсов одинаковы, а следовательно, постоянная составляющая выходного напряжения равна нулю.

При появлении входного сигнала который можно рассматривать как постоянный сигнал ввиду медленного изменения его величины, намагничивающая сила входной обмотки в один из полупериодов линеаризующего напряжения складывается с намагничивающей силой линеаризующей обмотки, а в другой полупериод — вычитается. Это приводит к тому, что длительность замыкания контактов, а следовательно, и длительность импульсов становится неодинаковой. В результате в выходном напряжении появляется постоянная составляющая средн» знак которой определяется знаком входного напряжения а величина будет плавно меняться при изменении входного напряжения. При пилообразной форме линеаризующих колебаний, учитывая соотношение (VII.2),

для усилителя, выполненного с двухпозиционным поляризованным реле, будем иметь

где

или

где

— соответственно сопротивление и число витков линеаризующей и входной обмотки поляризованного реле.

Условие сохранения линейности статической характеристики определяются следующим соотношением:

В противном случае н. с. входной обмотки будет столь велика, что изменения знака линеаризующего магнитного потока уже не будут сопровождаться переключениями контактов и реле «залипнет» в положении, определяемом знаком входного напряжения. Другими словами, усилитель начнет работать в релейном режиме. При использовании в релейном усилителе трехпозиционного поляризованного реле для статической характеристики линеаризованного релейного усилителя будем иметь:

а) при с учетом соотношения (VI 1.2)

б) при с учетом соотношения (VII.3)

Аналогично можно записать полагая и учитывая выражение (VII.4), уравнение статической характеристики линеаризованного релейного усилителя с нейтральным электромагнитным реле:

Линеаризация за счет запаздывающей обратной связи может быть осуществлена по схеме, приведенной на рис. VII. 12, б. Здесь роль линеаризующей обмотки выполняет обмотка обратной связи. При использовании двухпозиционного поляризованного реле на

обмотку обратной связи подается напряжение такой полярности, при которой реле срабатывает и переключает свои контакты. Но при этом происходит изменение полярности напряжения на обмотке и реле опять срабатывает, возвращаясь в исходное положение, и т. д. Если входной сигнал отсутствует, то реле периодически переключает свои контакты с частотой, зависящей от времени срабатывания реле, причем длительность замыкания верхнего и нижнего контактов будет одинаковой, а постоянная составляющая выходного напряжения . В данном случае роль линеаризующих колебаний выполняют автоколебания, которые появляются в результате введения отрицательной обратной связи. Для повышения устойчивости автоколебаний за счет снижения их частоты в схему вводится конденсатор, замедляющий процесс изменения тока в обмотке обратной связи при чередовании импульсов. Одновременно конденсатор улучшает искрогашение на контактах.

Моменты срабатывания реле определяются значениями суммарной н. с., которая при отсутствии входного сигнала создается только обмоткой обратной связи а при наличии сигнала на входе является алгебраической суммой н. с., создаваемой входной обмоткой довх и обмоткой обратной связи . В моменты, когда суммарная н. с. достигает значения н. с. срабатывания, происходит переключение контактов реле. При получении зависимости не будем учитывать время движения якоря и влияние индуктивностей обмоток реле.

Обмотка обратной связи с сопротивлением всякий раз оказывается подключенной к источнику через сопротивления Поэтому установившееся значение тока в обмотке ОС

Это значение при работе линеаризованного усилителя (т. е. при ограниченных по модулю сигналах) никогда не достигается, так как происходит переключение реле, сопровождающееся изменением полярности подаваемого на обмотку реле напряжения. Постоянная времени цепи обмотки обратной связи (см. рис. VII. 12, б)

При отсутствии входного сигнала (рис. VII. 13, а) магнитный поток и соответствующая ему н. с. обмотки обратной связи в промежутках между переключениями изменяются по экспоненте с асимптотой . При достижении значений происходит переключение реле, при этом (рис. VII. 13, а) и .

При наличии входного сигнала с учетом принятых допущений изменения магнитного потока (или могут быть охарактеризованы изменениями суммы мгновенных значений н. с. обмотки обратной связи и входной обмотки

В момент времени а (рис. VII. 13, б) суммарная н. с. достигает величины что сопровождается изменением полярности напряжения, подведенного к цепи ОС. Начинается процесс уменьшения суммарной н. с., затем ее знак изменяется на обратный и процесс стремится к установившемуся значению Но в момент времени, соответствующий точке когда суммарная н. с. становится равной происходит обратное переключение контактов.

Рис. VII. 13. Кривые изменения .

Длительность промежутка времени между моментами, соответствующими точкам равна длительности положительного выходного импульса Для определения последнего запишем

Здесь первый член правой части характеризует процесс убывания начальной составляющей н. с., а второй член — нарастание составляющей, возникающей под влиянием постоянного внешнего воздействия.

Аналогично для определения имеем

откуда найдем

В соответствии с выражением (VII.1) запишем

При этом период линеаризующих колебаний изменяется в зависимости от интенсивности входного сигнала

Статическая характеристика сохраняет плавный характер изменения вплоть до такой величины входного сигнала, при котором стоящие под знаком логарифма величины становятся отрицательными, т. е. до

Рис. VII. 14. Характеристика линеаризованного релейного усилителя с двухпозиционным реле и обратной связью

По мере уменьшения значения статическая характеристика стремится к линейной. Семейство статических характеристик в относительных единицах для рассматриваемого случая приведено на рис. VII. 14.

При линеаризации за счет ОС релейного усилителя с трехпозиционным поляризованным реле имеет место ряд особенностей. Во-первых, при отсутствии входного сигнала якорь реле находится в нейтральном положении, контакты реле разомкнуты и колебания на выходе усилителя отсутствуют. Поэтому статическая характеристика линеаризованного релейного усилителя будет иметь зону нечувствительности Во-вторых, при наличии входного сигнала якорь будет совершать колебания относительно одного из неподвижных контактов. При этом на выходе будет иметь место последовательность однополярных импульсов. Наличие импульса на выходе соответствует моментам времени, когда контакты реле замкнуты и происходит заряд конденсатора; при достижении суммарной н. с. величины якорь возвращается в нейтральное положение, контакты размыкаются, конденсатор отключается от источника питания цепи нагрузки и начинает разряжаться; при этом выходное напряжение отсутствует; суммарная н. с. возрастает и при достижении последней величины происходит замыкание и т. д.

Выходные импульсы противоположной полярности будут иметь место при изменении полярности входного сигнала, когда якорь

будет совершать колебания относительно другого неподвижного контакта.

Рассуждая аналогично, можно получить соответствующее выражение для :

где — коэффициент возврата.