ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Рисунок 13.1 – Схемы увеличения значения индуктивности за счет введения в цепь катушки напряжения (а), тока (б); компенсация активного сопротивления провода катушки (в); эквивалентная схема индуктивной части (г)

Если обмотки 1 и 2 намотаны вместе и пронизываются одним магнитным потоком, то их индуктивности рассеивания L1S и L2S стремятся к нулю, а ЭДС обмотки 2 равна падению напряжения на индуктивности L(L=M). При L1S≠0, L2S≠0 ЭДС обмотки 2 равна падению напряжения на взаимоиндуктивности M. В схемах, изображенных на рисунках 13.1, 13.2, дополнительная обмотка 2 подключена к электронным узлам, имеющим настолько большое входное сопротивление, что можно пренебречь создаваемой ими нагрузкой и считать, что напряжение U2, равно падению напряжения на взаимоиндуктивности M.

При учете этого для цепи, изображенной на рисунке 13.1а, справедливо уравнение

121

Из выражения (13.1) видно, что электронный усилитель увеличивает в 1+Ku раз взаимоиндуктивность M, которая в первом приближении равна индуктивности L. Это происходит потому, что напряжение усилителя, точно повторяющее падение напряжения на взаимоиндуктивности, вычитается из входного напряжения. Соответственно ток катушки индуктивности уменьшается, как было бы в случае, если бы вследствие увеличения числа ее витков индуктивность повысили в 1+Ku раз. Максимальное значение Ku, при котором сохраняется устойчивость, зависит от частотной характеристики усилителя и внутреннего сопротивления цепи, к которой подключена катушка. Для большинства случаев Ku находится в пределах от 50 до 103.

Аналогично рассмотренному работает устройство, схема которого показана на рисунке 13.1б. Ее отличие заключается в том, что дополнительный сигнал, меняющий параметры катушки индуктивности для источника сигнала Uвх, введен в обмотку 2 в виде тока, повторяющего по форме ток катушки L. Усилители DA1 и DA2, включенные преобразователями «ток напряжение» и «напряжение ток», можно рассматривать как усилитель тока с коэффициентом усиления по току Ki и входным сопротивлением Ry. С учетом того, что ток обмотки 2 создает на взаимоиндуктивности M дополнительное падение напряже-

ния Ki Ij M , для этой цепи можно записать уравнение

Uвх I R1 Ry j L1s (1 Ki )M ,

откуда

Uвх / I (R1 Ry ) j L1s (1 Ki )M .

Из последнего выражения видно, что если Ry→0 и |Ki|=|Ku|, схемы, изображенные на рисунке 13.1а, б, полностью эквивалентны по параметрам.

Вних, благодаря введению электронной части, в K раз увеличились значения индуктивности и добротности и появилась возможность плавно регулировать значение индуктивности с помощью изменения коэффициента усиления усилителей.

Всхеме на рисунке 13.1в усилители DA1, DA2 выполняют роль конвертора отрицательного сопротивления, так как в цепь выхода DA1

122

вводится дополнительное напряжение, равное падению напряжения на активном сопротивлении провода R1 и индуктивности рассеивания L1S и имеющее противоположный знак. Результирующее падение напряжения на этих элементах равно нулю с точки зрения входного сигнала. Поэтому, если выходное сопротивление операционного усилителя DA1 стремится к нулю, то у катушки индуктивности можно получить большую добротность. Усилитель DA2 с Ku2=1 и дифференциальным высокоомным входом выделяет падение напряжения на сопротивлении

Z (R j L1s ) . Для этого его входы соединены с включенными

встречно обмотками 1 и 2. Операционный усилитель DA1 имеет единичный коэффициент усиления Ku1 и малое выходное сопротивление Rвых. Его выходное напряжение включено последовательно с входным:

Uвх I (R j L Rвых ) Ku1Ku 2 (R j L1s ) .

При Ku1Ku2=1:

UIвх Rвых j M ,

Q M .

Rвых

Используя усилители с выходным сопротивлением в сотые-ты- сячные доли ома, можно получить катушки индуктивности, имеющие такие значения добротности, которых нельзя достигнуть технологическим путем. Важными преимуществами схемы на рисунке 13.1в являются абсолютная устойчивость и хорошие частотные характеристики усилителей с единичным усилением. Этот прием компенсации активного сопротивления провода обмотки можно использовать для любых индуктивных компонентов и любых их обмоток. Следует отметить, что потери в ферромагнитных магнитопроводах с помощью рассмотренных схем не устраняются.

Магнитоэлектронные трансформаторы напряжения приведены на рисунке 13.2. В них использовано то свойство трансформатора, что ЭДС его вторичных обмоток относятся между собой как числа их витков. Поэтому если ЭДС обмотки 2, имеющей то же число витков, что и обмотка 1, равна входному напряжению, то ЭДС всех остальных обмоток будут пропорциональны входному сигналу. Причем коэффициент пропорциональности равен отношению чисел витков и не меняется при изменении параметров магнитопровода и активных сопротивлений обмоток.

123

в

а – с повышенной точностью передачи; б – с высоким входным сопротивлением; в – с условно-устойчивым усилителем

Рисунок 13.2 – Магнитоэлектронные трансформаторы напряжения

Если падение напряжения на взаимоиндуктивности M (см. рисунок 13.1г) равно Uвх, то ЭДС всех вторичных обмоток строго пропор-

124

циональна входному сигналу. Так как числа витков обмоток 1 и 2 равны, то эквивалентная схема (см. рисунок 13.1г) справедлива для этого случая. Причем учет других вторичных обмоток можно выполнить, подключая к взаимоиндуктивности M их приведенные активные сопротивления и индуктивности рассеивания.

В схеме, приведенной на рисунке 13.2а, из входного напряжения Uвх вычитается падение напряжения на взаимоиндуктивности M, равное ЭДС обмотки 2. Оно подается на вход усилителя и равно

После усиления в Kи раз это напряжение прикладывается к обмотке 1, увеличивая приложенное напряжение до значения (Uвх+KuUвх y).

Следовательно, падение напряжения на взаимоиндуктивности M:

Из формулы (13.2) видно, что при Ku→∞ и Uv=Uвх погрешности преобразования напряжения практически отсутствуют. На практике устойчивая работа цепи обеспечивается при значениях Kи, меньших 100…200, и соответственно влияние активного сопротивления обмотки и сопротивления индуктивности рассеивания уменьшается только в 100200 раз. Поэтому при необходимости повысить точность следует применять комбинацию схем (см. рисунок 13.1в и рисунок 13.2а).

Входное сопротивление такого магнитоэлектронного преобразователя равно его индуктивному сопротивлению Zвх j L) . Поэтому

данную цепь можно также использовать как катушку индуктивности. При необходимости обеспечить точное преобразование напряже-

ния и высоком входном сопротивлении можно использовать схему, показанную на рисунке 13.2б. В ней входное сопротивление магнитоэлектронного преобразователя благодаря последовательной обратной связи больше входного сопротивления усилителя в (1+Ku) раз. Это происходит вследствие того, что почти все входное напряжение уравновешивается ЭДС обмотки 2.

Недостатком обеих рассмотренных схем являются трудности с обеспечением устойчивости при больших коэффициентах усиления. Их можно существенно уменьшить, применяя условно устойчивые электронные усилители (см. рисунок 13.2в). В этой схеме усилители с единичными коэффициентами усиления охвачены 100%-ной положи-

125

тельной обратной связью и сохраняют устойчивость только в составе всей цепи. Если отключить обмотку 2, то устойчивость будет потеряна, и усилители возбудятся. Поэтому их называют условно устойчивыми. При выполнении условия

(R – выходное сопротивление усилителя) цепь будет абсолютно устойчива, несмотря на то, что эквивалентный коэффициент Ku усилителя со 100%-ной положительной обратной связью имеет большое значение. Это обусловлено тем, что глубина отрицательной обратной связи, вводимой с обмотки 2, больше глубины положительной обратной связи. Хорошие частотные характеристики усилителей с единичным коэффициентом усиления позволяют при использовании данной схемы создавать высококачественные устройства без тщательного подбора и коррекции характеристик активных компонентов.

При создании конкретных устройств используются как отдельные из рассмотренных приемов, так и их комбинации. В низкочастотных преобразователях широко применяют операционные усилители вместе с мощными выходными бестрансформаторными каскадами. При этом стремятся не применять разделительные конденсаторы, особенно во входной и выходной цепях. В схемах c условно устойчивыми усилителями необходимо иметь один разделительный конденсатор. Предпочтение следует отдавать тем схемам с обратной связью, где дополнительный сигнал вводится в форме тока в связи с их лучшей устойчивостью. При создании широкополосных преобразователей лучшие результаты дает применение конвертора отрицательного сопротивления или комбинированное сочетание конвертора отрицательного сопротивления и обратной связи.

В качестве индуктивных компонентов магнитоэлектронных устройств могут быть использованы катушки индуктивности и трансформаторы из микропровода, а также индуктивные элементы, выполненные по интегральной технологии. Это открывает возможность их микроминиатюризации и автоматизации производства.

126

ЛИТЕРАТУРА

1.Гусев, В.Г. Электроника / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с.

2.Волощенко, Ю.В. Основы радиоэлектроники: учебное пособие

/Ю.В. Волощенко [и др.]; под ред. Г.Д. Петрухина. – М.: Издательство МАИ, 1993. – 416 с.

3. Хоровиц, П. Искусство схемотехники: в 2 т.: пер. с англ. / П. Хоровиц, У. Хилл. – М.: Мир, 1986. – Т. 2.– 598 с.

4.Пасынков, В.В. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов / В.В. Пасынков [и др.]. – М.: Высшая школа, 1981. – 431 с.

5.Игумнов, Д.В. Основы микроэлектроники / Д.В. Игумнов, Г.В. Королев, И.С. Громов. – М.: Высшая школа, 1991. – 254 с.

6.Ишанин, Г.Г. Источники и приемники излучения: учебное пособие / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Польщиков. – СПб.: Политехника, 1991. – 240 с.

7.Кауфман, М. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: справочник: в 2 т.: пер. с англ. / М. Кауфман, А.Г. Сидман. – М.: Энергоиздат, 1991. – 368 с.

8.Изьюрова, Г.И. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: учебное пособие для вузов / Г.И. Изьюрова, Г.В. Королев, В.А. Терехов, М.А. Ожогин, В.Н. Серов. – М.: Высшая школа, 1987. – 335 с.

127

Учебное издание

Хмелев Владимир Николаевич Левин Сергей Викторович

ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Курс лекций

Редактор Идт Л.И.

Подписано в печать 17.05.2009. Формат 6084 1/16 Усл. п. л. 7,4. Уч.-изд. л. 8,0 Печать ризография, множительно-копировальный аппарат «RISO EZ-300»

Тираж 100 экз. Заказ 2009 36 Издательство Алтайского государственного технического университета 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27

128