Електромагнітні формувачі і розподільники імпульсів

image001Для управління і живлення різноманітних пристроїв автоматики, радіотехніки і обчислювальної техніки часто необхідні спеціальні джерела імпульсів. Широко розповсюджені для цієї мети магнітні параметричні пристрої, які складаються з некерованих нелінійних магнітних елементів і лінійних елементів, а також магнітні керовані дроселі.

Найпростіший пристрій для отримання знакозмінних імпульсів напруги невеликої потужності можна виконати на базі схеми, яка складається з дроселя насичення з осердям з ППГ та опору навантаження Rн, який увімкнений паралельно обмотці w2 (рис. 3.6.1). Якщо перемагнічування осердя в цій схемі здійснити синусоїдальним струмом достатньо великої амплітуди, тоді вторинна напруга трансформатора буде змінюватись прямо пропорційно диференційній проникності осердя.

Дійсно,

image002

Для малих значень фази

image003

Тоді

image004

На рис. 3.6.2, а, б показано використання цього принципу для побудови багатоканального джерела або розподільника імпульсів. Всього є n каналів,

image005

Рис.3.6.2. Схема генератора послідовності імпульсів (а)

і його характеристики (б)

які під’єднуються до вторинних обмоток відповідних трансформаторів. Первинні обмотки через фазозсувні контури j1, j2 , …, jn підключені до загального джерела живлення, фазозсувні кола забезпечують зсув фаз між струмами в первинних обмотках сусідніх трансформаторів на кут p / n.

Пристрій, побудований за схемою рис. 3.6.2,а, також використовується для отримання визначеної послідовності імпульсів в часі (двійкового коду) шляхом визначеного з’єднання вторинних обмоток відповідних трансформаторів. Наприклад, код 1010011 виділяється на виході при послідовному сполученні вторинних обмоток першого, третього, шостого і сьомого трансформаторів.

Кожен трансформатор може мати кілька вторинних обмоток, які дозволяють одночасно мати різні коди. Для отримання однополярних імпульсів на виході схеми вмикають напівпровідникові випрямлячі.

На рис.3.6.3,а показано застосування двох осердь з ППГ для формування практично прямокутних імпульсів напруги при наявності джерела синусоїдальної напруги. В цій схемі осердя дроселя і трансформатора виконують з одного матеріалу. Якщо виконується умова image006 (індекс «д» означає дроселя; «т» – трансформатора), то при ненасиченому осерді дроселя струм в його обмотці обмежений такою величиною, яка недостатня для перемагнічування осердя трансформатора, і вся напруга живлення (u = uД) прикладена до обмотки wД. Після насичення дроселя при wt = a1 вся напруга живлення (image007) стає прикладеною до первинної обмотки трансформатора wТ. В інтервалі від wt = a1 до wt = a2 (рис.3.6.3,б) осердя трансформатора перемагнічується від -BS до BS, і в його вихідній обмотці індукується імпульс напруги image008. В інтервалі   a2£ wt £ p обидва осердя насичені і вся напруга мережі падає на активний опір первинного кола (u = uR). Починаючи з wt = p процес повторюється в тій же послідовності, але для другої полярності .

Припустимо, що потрібна тривалість імпульсів вихідної напруги в радіанах Da = a2 - a1 ; при цьому image009 Теоретично на основі роботи дроселя насичення відомо, що кут насичення:

image010

Наведене рівняння і визначає вибір параметрів дроселя для отримання необхідного значення a1.

Приріст індукції в трансформаторі:

image011

де DB = 2BS.

Тоді потрібне значення wТ1S визначається з формули

image012

image013

Рис. 3.6.3. Схема генератора прямокутних імпульсів (а)

і його характеристики (б)

Якщо необхідно отримати відносно потужні імпульси, то застосування найпростішої трансформаторної схеми (рис. 3.6.3, а) не має сенсу через великі втрати потужності в резисторі. В таких випадках звичайно використовують спеціальні пристрої, які називаються пік-трансформаторами. Схема пік-трансформатора приведена на рис. 3.6.4, а. Його первинна обмотка w1, під’єднана до мережі змінного струму і розміщена на стержні І з достатньо великим поперечним перерізом, завдяки чому він не насичується. Вторинна обмотка w2 розміщена на стержні ІІ з невеликим поперечним перерізом, для якого часто використовується магнітний матеріал з високою магнітною проникністю і невеликою величиною індукції насичення. При цьому легко забезпечити виконання умови Ф1m >>  Ф2S, де Ф2S – потік насичення другого стержня .

Припустимо, що потік Ф1 збільшується від нуля. Спочатку цей потік буде майже повністю замикатися через стержень ІІ, внаслідок його невеликого магнітного опору. Магнітний опір стержня ІІІ значно більший через наявність у ньому повітряного зазору. Однак при Ф1 » Ф2S стержень ІІ виявляється насиченим і при дальшому збільшенні Ф1 частина цього потоку все збільшується і розгалужується в стержень ІІІ. Завдяки наявності стержня ІІІ індуктивність обмотки w1 зберігає достатньо велику величину і після насичення стержня ІІ, яка обмежує величину струму, що намагнічує і видаляє відмічений раніше недолік найпростішої трансформаторної схеми. Магнітний потік в стержні ІІ починає змінюватись лише після того, як потік Ф1 стержня І в процесі свого зменшення досягає значення Ф2S. При цьому Ф2 продовжує змінюватись до тих пір, поки, проходячи через нуль, не досягне значення 2S. В обмотці w2 індукується ЕРС, яка зрівноважується напругою u2 лише при зміні магнітного потоку в стержні ІІ, що при Ф1m>>Ф2S має місце біля переходів потоку Ф1 стержня І через нуль, коли прикладена до обмотки w1 напруга u~ має по абсолютній величині максимальне значення (див. рис.3.6.4, б). Шляхом відповідного вибору числа витків обмотки w2 можна отримати амплітудне значення u2, яке набагато більше амплітуди напруги живлення.

image014

Рис. 3.6.4. Схема пік-трансфорора (а) і його характеристики (б)

Для економічного формування потужних імпульсів більшої скважності широко використовують, особливо в радіолокаційній техніці, багатоступеневі ферорезонансні формувачі (магнітні кола стиску).

Для отримання більш коротких імпульсів використовують каскадне з’єднання розглянутих схем. При цьому кожен наступний каскад “вирізає” більш короткий імпульс з того імпульсу, який подають на його вхід від попереднього каскаду. На рис. 3.6.5 приведена трикаскадна схема на формувача імпульсів.

Нехай напруга живлення змінюється за синусоїдальним законом image015, заряди на конденсаторах при t = 0 відсутні і початковий магнітний стан осердь характеризується значенням індукції - ВS . Контур, створюваний лінійним дроселем LЛ і конденсатором С1, звичайно настроюється в резонанс з частотою напруги живлення і служить для періодичної зарядки конденсатора. Якщо знехтувати втратами в контурі LЛ, С1, то можна показати, що напруга на конденсаторі буде

image016

image017 Одночасно зі збільшенням uС1 росте індукція В1 першого нелінійного дроселя і, поки він залишається ненасиченим, можна знехтувати струмом, який відгалужується через його обмотку. Якщо вибрати ww1S1Bm = Um, тоді індукція дроселя буде дорівнювати ВS до моменту wt = p, коли напруга на конденсаторі досягне свого першого максимуму image018 Після насичення осердя першого дроселя має місце коливальна розрядка конденсатора С1. При цьому, якщо знехтувати активним опором обмотки дроселя, то, приймаючи за початок відліку часу момент насичення дроселя, отримаємо

image019

і зарядний струм

image020

де LS1 – індуктивність насиченого дроселя;

image021

Напруга на конденсаторі С2 досягає максимального значення

image022

при w1t = p, коли і1 = 0. При продовженні коливальної розрядки струм і1 змінює свій напрямок, що  виводить осердя дроселя L1 зі стану насичення і припиняє коливальний процес. Тому зарядка конденсатора С1 практично повністю передається конденсатору С2 і, якщо С2 = С1 , то UC2 » UC1. Одночасно з наростанням UC2 осердя наступного нелінійного дроселя L2 перемагнічується від -ВS до ВS . Якщо підібрати його параметри так, щоб він перемагнічувався за час T=p / w1 , то відразу ж після досягнення напругою uC2 максимального значення відбудеться коливальна розрядка конденсатора C2 і зарядка конденсатора С3 з частотою image023Після насичення останнього нелінійного дроселя конденсатор С3 розряджається на навантаження.

Звичайно конденсатори мають однакову ємність, а параметри нелінійних дроселів ( LS1, LS2 і LS3 ) вибирають так, щоб кожен наступний конденсатор розряджався швидше попереднього. Тоді тривалість кожного наступного імпульсу струму буде коротшою ніж попереднього, а його амплітуда більше.

На рис. 3.6.5,б показано напругу на окремих конденсаторах з урахуванням наявності втрат в реальних схемах, а на рис. 3.6.5,в – імпульси струму на різних ділянках кола, яке розглядається. Криві наведені без додержання масштабів, оскільки тривалість імпульсу струму в навантаженні іН може бути в сотні і навіть в тисячі разів менша півперіоду напруги живлення, а його амплітуда – в стільки ж разів більша амплітуди струму, який надходить від мережі змінного струму. Для від’ємного півперіоду напруги живлення осердя перемагнічуються від ВS до S, а імпульси струму мають зворотну полярність.

Схеми, схожі на схеми, приведені на рис. 3.6.5,а, дозволяють отримувати імпульси тривалістю 1-2 мкс з миттєвою (амплітудною) потужністю 500‑1000кВт (і більше) при живленні від джерела живлення 100-200 Вт і ККД 60‑70%.

Керовані формувачі імпульсів

При теоретичному розгляданні роботи керованого дроселя насичення в режимі вимушеного намагнічування відмічалась можливість використання останнього як перетворювача синусоїдальної напруги в прямокутні імпульси струму. Однак можливості керованого дроселя в даному режимі цим не вичерпуються і можуть бути розширені, якщо відповідні обмотки двох осердь виконати з різною кількістю витків (рис. 3.6.6, а). При ідеальній прямокутній петлі гістерезису і відсутності одночасного насичення обох осердь справедливі такі відношення:

image024

Враховуючи, що в режимі вимушеного намагнічування     іу = Іу = const, амплітудні значення додатного і від’ємного прямокутних імпульсів струму рівні відповідно (рис. 3.6.6, б):

image025

Середнє значення струму за період рівне нулю:

image026

де t+, t- – тривалості додатних і від¢ємних імпульсів.

Тоді

image027

image028
Рис. 3.6.6. Схема керованих формувачів імпульсів (а, в) та їх характеристики (б, г)

Якщо вибрати w12 = wу2, то І- = Іу. Складаючи на виході керованого дроселя, змінний струм і і постійний струм Іу, отримуємо формувач однополярних імпульсів (рис. 3.6.6,в, г), запропонований Н.В.Корольковим для живлення магнітних елементів цифрової техніки. Конденсатор С перешкоджає проходженню постійного струму через джерело змінного струму. Скважність імпульсів в цій схемі

image029

є постійною величиною, що не залежить від струму Іу, який визначає лише амплітуду імпульсів

image030

Звичайний керований дросель, що працює в режимі вимушеного намагнічування, можна використовувати також для отримання імпульсів напруги трикутної форми. Схема формувача імпульсів напруги трикутної форми показана на рис. 3.6.7, а. Замість опору навантаження в цій схемі під’єднано конденсатор. При сигналах Іу, які не забезпечують виникнення стану одночасного насичення обох осердь, конденсатор буде заряджатись і перезаряджатись струмом постійної амплітуди (рис. 3.6.7, б). Зміну напруги на конденсаторі на протязі одного півперіоду змінного струму визначають за формулою

image031

image032де n – номер півперіоду; image033 – напруга на конденсаторі на початку півперіоду (в момент зміни напрямку струму і).

На базі розглянутого формувача імпульсів напруги трикутної форми можна побудувати схему широтно-імпульсного модулятора (рис. 3.6.8, а). Напруга на конденсаторі UC випрямляється і подається у вигляді імпульсів напруги трикутної форми подвійної частоти UR в коло колектор – база транзистора. Ця напруга намагається закрити транзистор. Напруга UX направлена назустріч UR і протягом tр , коли UX > UR, відкриває транзистор (рис. 3.6.8, б). Для напруги UR в інтервалі 0 < wt £ p/2 маємо

image034

Тоді при UR < UX тривалість імпульсу напруги, що надходить на навантаження,

image035

Інакше, керувати довжиною імпульсу на навантаженні можна змінюючи як сигнал Іу, так і напругу UX. Для середнього значення напруги навантаження маємо

image036

image037

Рис. 3.6.8. Схема широтноімпульсного модулятора (а) та його характеристики (б)

За допомогою пристрою, який розглядається, можна отримати добуток двох величин (UX і UК ) або відношення двох величин (UX і Іу ).

Магніто-транзисторний генератор

Широке розповсюдження знайшла схема магнітотранзисторного генератора з позитивним зворотним зв’язком та живленням від джерела постійної напруги.

Якщо на одному осерді об’єднати дві магніто-транзисторні комірки так, щоб струми в колекторних обмотках w1 двох транзисторів створювали магнітне поле протилежних напрямків, то отримаємо магніто-транзисторний генератор змінної напруги прямокутної форми (рис. 3.6.9).

image038

Рис. 3.6.9. Магніто–транзисторний генератор напруги прямокутної форми

Припустимо, що відкритий транзистор Т1 і закритий транзистор Т2. Тоді напруга живлення Ек прикладена до обмотки w¢1 і змушує магнітну індукцію осердя рости доти, поки вона не досягне значення ВS. Протягом цього процесу ЕРС, що індуктуються в обмотках зворотного зв’язку w¢з.з і      w¢¢з.з , мають таку полярність, що тримають транзистор Т1 відкритим, а Т2 – закритим. Після насичення осердя і зменшення ЕРС зворотного зв’язку до нуля обидва транзистори приходять в однаковий стан і індукція осердя зменшується від ВS до Br. Змінюється полярність ЕРС, що індуктуються в обмотках зворотного зв¢язку. Тепер транзистор Т1 виявляється замкненим, а Т2відкритим, і напруга живлення Ек прикладена до обмотки w¢¢1, змушує індукцію змінюватися до S, піcля чого знову відбувається «перекидання» схеми.

Амплітудне значення Е2 і тривалість t кожного позитивного і негативного імпульсу вихідної напруги визначаються відомими формулами. Тому частота генерованих коливань (при w¢1 = w¢¢1 = w1):

image039

Генератори, виконані за схемою рис. 3.6.9, знаходять багаточисленні застосування, особливо в зв¢язку з їх високим ККД. Вони широко використовуються для живлення різноманітних пристроїв автоматики та обчислювальної техніки, у тому числі і магнітних елементів, змінною напругою. Якщо випрямити вихідну напругу генератора, отримаємо простий перетворювач постійної напруги однієї величини к) у постійну напругу (U2 » Е2) іншої величини. Наприклад, маючи лише батарею на 1,5 В або акумулятор на 6 В, можна дуже економічно одержати будь-яку іншу напругу постійного струму U2 » ЕKw2 /w1. При цьому прямокутна форма випрямляча напруги забезпечує невеликі пульсації вихідної напруги.

Пропорційність частоти f генерованих у схемі рис. 3.6.9 коливань величині напруги живлення Ек широко використовується в системах телевимірювань і телемеханіки для перетворення сигналів змінної величини в сигнали змінної частоти. При проходженні сигналів через лінії зв¢язку великої довжини величина (амплітуда) сигналів може істотно змінюватися, частота ж залишається незмінною.

Якщо вихідну напругу генератора за схемою рис. 3.6.9 подати через ключ, що замикається протягом фіксованого інтервалу часу Т, на вхід двійкового лічильника, то одержимо перетворювач аналогових величин (напруги Ек) у цифрові. Для числа імпульсів, що надходять на вхід двійкового лічильника маємо

image040.

Накінець відзначимо, що існує ряд способів керування частотою магніто-транзисторних генераторів без зміни амплітуди вихідної напруги (Ек = соnst, Е2 = соnst). Можна також у широких межах змінювати тривалість вихідних імпульсів при незмінній частоті.

Оставьте комментарий к статье