Мендл М. 200 избранных схем электроники. Матью Мэндл 200 избранных схем электроники редакция литературы по информатике и электронике 1978 PrenticeHall, Inc
 Скачать 2.25 Mb.
|
транзистора (б). 13.2. Делитель частоты накопительного типа Типичная схема импульсного делителя частоты накопительного типа изображена на рис. 13.2. Здесь также используется блокинг-генератор, но он работает не в режиме автоколебаний, а в ждущем режиме: генератор вырабатывает выходной импульс только после того, как на его вход поступит определенное, заранее заданное число импульсов. Следовательно, при такой схеме построения релаксатор, в частности блокинг-генератор, работает в качестве делителя частоты следования импульсов или в качестве счетчика импульсов. Характеристики работы схемы определяются длительностью входных импульсов и параметрами схемы. Рис. 13.2. Схема делителя частоты накопительного типа. До поступления определенного числа импульсов в схему транзистор находится в закрытом состоянии, что обусловлено действием положительного напряжения, подаваемого на эмиттер. При помощи переменного резистора Ri можно устанавливать нужную величину напряжения, подаваемого на эмиттер, и таким образом регулировать порог отпирания транзистора, который является основным параметром такой схемы делителя частоты следования импульсов. Предположим, что уровень отсечки транзистора равен 0,5 В, а при помощи переменного резистора на эмиттер подается напряжение 40 В. При этих условиях запирающее напряжение смещения превысит напряжение отсечки на 39,5 В. При подаче первого входного импульса через конденсатор С ь диод Д 2 и конденсатор С 2 будет протекать ток сигнала, причем электроны будут двигаться к конденсатору С 2 в направлении, показанном стрелками. В результате лротекания тока конденсаторы С 1 и С 2 будут заряжаться, но из-за большой постоянной времени цепи заряда и сравнительно малой длительности импульса оба конденсатора за время действия импульса успеют зарядиться только до незначительной величины напряжения. Следовательно, после первого импульса конденсатор С 2 окажется заряженным лишь на небольшую часть амплитуды напряжения входного импульса. Хотя это напряжение на конденсаторе С 2 приложено между базой и эмиттером транзистора, пока оно лишь незначительно уменьшает уровень обратного смещения транзистора. В течение интервала времени до прихода второго импульса заряд на конденсаторе С 2 сохраняется, поэтому напряжение е& между базой и землей сохранит уровень, равный приросту напряжения на конденсаторе С 2 (рис. 13.2,6). На рис. 13.2,6 входные импульсные сигналы обозначены как е вх ; первый импульс находится под цифрой 1. Так как конденсатор Ci заряжен с указанной на рисунке полярностью, он будет разряжаться через диод Д1 и входную цепь. На конденсаторе С 2 заряд будет сохраняться, поскольку он не может разряжаться ни через диоды, ни через закрытый транзистор. С приходом второго импульса на вход схемы диод Д 2 открывается вновь и конденсатор С 2 получает дополнительный заряд. Как и в предыдущем случае, поскольку длительность импульса мала по сравнению с постоянной времени схемы, конденсатор С 2 получит лишь незначительный добавочный заряд, Во время интервала между вторым и третьим импульсами напряжение на конденсаторе С 2 будет сохраняться (рис. 13.2,6). Таким образом, последовательное нарастание и сохранение напряжения между базой и землей приводит к тому, что это напряжение имеет ступенчатый вид. Так как конденсатор С? заряжается по экспоненциальному закону, то каждая последующая ступенька напряжения на нем уменьшается (рис. 13.2,6). Верхняя обкладка конденсатора С 2 соединена с базой транзистора через первичную обмотку трансформатора. Следовательно, по мере нарастания напряжения на конденсаторе обратное смещение на транзисторе будет уменьшаться. Таким образом, если напряжение отсечки транзистора составляет 0,5 В, как было указано ранее, а при помощи переменного резистора Ri потенциал эмиттера устанавливается равным 40 В, то для отпирания транзистора напряжение е б должно достигнуть уровня 39,5 В. Когда напряжение е& достигнет этого уровня, транзистор откроется и в этом состоянии будет иметь малое внутреннее сопротивление. Тогда конденсатор С 2 начнет разряжаться через транзистор. Транзистор будет находиться в открытом состоянии до тех пор, пока напряжение на конденсаторе С 2 в процессе разряда не снизится настолько, что смещение, задаваемое резистором Ri, не приведет опять к запиранию транзистора. Во время нарастания и спада тока через транзистор при его открывании и закрывании на третьей обмотке трансформатора формируется выходной сигнал. Таким образом, схема выполняет функцию деления частоты следования импульсов, так как при заданном числе входных импульсов она вырабатывает только один выходной импульс. Если при помощи переменного резистора на эмиттере транзистора задается напряжение 20 В, то транзистор откроется при достижении напряжения на базе, равного 19,5 В. Следовательно, при помощи переменного резистора можно регулировать коэффициент деления схемы. 13.3. Удвоитель частоты Усилители класса С, рассмотренные в гл. 3, можно также применять для удвоения частоты высокочастотных колебаний. Для получения более высокого коэффициента умножения частоты можно использовать несколько таких каскадов удвоения, соединив их последовательно один за другим. В схеме удвоения транзистор может быть включен по схеме с общим эмиттером, общей базой, общим истоком, общим затвором и т.д. На рис. 13.3 показана схема удвоителя частоты, в которой транзистор включен по схеме с общей базой. Входной сигнал от генератора несущей (или от предыдущего усилителя класса С) подается на резонансный контур в цепи базы Предположим, что частота, которую необходимо удвоить, равна 1000 кГц. Входной контур L 2 Cj настроен на эту частоту, а контур L 3 C 3 в цепи коллектора настроен на частоту 2000 кГц. Так как контуры в цепях коллектора и эмиттера настроены на разные частоты, то условия самовозбуждения в схеме не выпол- няются и не требуется производить нейтрализации в схеме удвоителя даже в случае схемы с общим эмиттером. Вообще говоря, контур в цепи коллектора может быть настроен на частоту в три раза выше входной частоты, но следует иметь в виду, что к. п. д. схемы резко понижается с увеличением коэффициента умножения. Так как рабочая точка усилителя класса С выходит за пределы линейной части характеристики транзистора, то ток транзистора содержит гармонические составляющие высоких частот. При обычной работе усилителя класса С эти гармонические составляющие сильно ослабляются входным и выходным контурами благодаря их высокой избирательности на резонансной частоте. Однако в схеме удвоителя частоты коллекторный контур настроен на вторую гармонику, ток которой оказывается довольно значительным в составе тока коллектора. В схеме на рис. 13.3 элементы имеют те же значения, что и в схеме на рис. 3.8. Обратное напряжение смещения, подводимое к контуру C 1 L 2 , создает нужные условия для работы в режиме класса С. Рис. 13.3. Схема удвоителя частоты на транзисторе. 13.4. Одностабильный мультивибратор В промышленной электронике, радиолокационных и вычислительных устройствах часто применяются импульсные устройства, которые после их запуска вырабатывают нормированный выходной импульс заданной длительности и высоты. Таким устройством является одностабильный мультивибратор, называемый также ждущим мультивибратором, однотактным релаксатором или старт стопным, мультивибратором,. От обычного мультивибратора он отличается тем, что работает не в режиме автоколебаний. Одностабильный мультивибратор вырабатывает один выходной импульс при подаче на его вход запускающего импульса. Схема транзисторного одностабильного мультивибратора изображена на рис. 13.4. На базу транзистора Т 2 подается отрицательное напряжение, благодаря которому транзистор находится в закрытом состоянии. При этом падение напряжения на коллекторном резисторе R 4 равно нулю, вследствие чего потенциал коллектора равен напряжению источника питания. На базу транзистора Т 1 подается прямое положительное смещение через резистор R 3 . При этих условиях транзистор Т г находится в открытом состоянии, а транзистор Т 2 — в закрытом. Рис. 13.4. Одностабильяый мультивибратор. Для получения выходного импульса на вход схемы должен поступать импульс запуска положительной полярности. Этот импульс переведет транзистор Т 2 в открытое состояние. Из-за протекания тока коллектора возникает падение напряжения на резисторе R 4 , которое уменьшает коллекторное напряжение транзистора Т 2 . Это уменьшение напряжения передается на базу транзистора Т 1 , который начинает запираться, вследствие чего падение напряжения на резисторе R 1 уменьшается, а коллекторное напряжение транзистора T 1 возрастает. Это в свою оче-редь увеличит прямое смещение на базе транзистора Т 2 , что вызовет дальнейшее нарастание тока коллектора указанного транзистора Развитие описанного процесса приведет к полному открыванию транзистора Т 2 и закрыванию транзистора Т 1 . По окончании действия входного запускающего импульса пройдет некоторый интервал времени и на конденсаторе С 2 установится существовавшее на нем ранее напряжение, а источник Е 2 закроет транзистор Т 2 . В результате этого положительное напряжение, приложенное к базе транзистора Т 1, увеличится что вызовет его открывание, и, таким образом, восстановится исходное состояние схемы. В процессе открывания и закрывания транзистора Т 2 на выходе схемы появится импульс, длительность которого определяется постоянной времени R 3 С 2 13.5. Триггер Шмитта Триггер Шмитта представляет собой бистабильную схему, переключение которой зависит от амплитуды запускающих импульсов Такие схемы успешно применяются в вычислительных устройствах и различных промышленных установках, где требуется изменять форму импульсов, формировать прямоугольные импульсы из синусоидальных колебаний и фиксировать превышение сигналом постоянного тока установленного уровня (порога). Рис. 13.5. Триггер Шмитта. Типичная схема триггера Шмитта на двух транзисторах n — р — n-типа изображена на рис. 13.5. Для лучшего понимания работы схемы вначале предположим, что на входе транзистора Т 1 сигнал отсутствует. Резисторы R 1 , R 2 и R 3 , включенные между положительным зажимом источника питания и землей, образуют делитель напряжения, и падение напряжения на резисторе R 3 будет положительным относительно эмиттера транзистора Т 2 , благодаря чему поддерживается открытое состояние этого транзистора. На коллектор транзистора Т 2 через резистор R 4 подается положительное напряжение от источника питания. При открытом транзисторе на резисторе R 5 в цепи эмиттера появляется падение напряжения, так как через него протекает ток эмиттера; полярность напряжения показана на рисунке. Через низкоомную вторичную обмотку входного трансформатора L 2 напряжение на R 5 прикладывается между эмиттером и базой транзистора T 1 и создает обратное смещение на переходе база — эмиттер транзистора Т 1 . Поэтому Т 1 закрыт. Такое стабильное состояние схемы является одним из двух возможных состояний. Из-за протекания тока через резистор R 4 и падения напряжения на нем коллекторное напряжение на выходном зажиме меньше напряжения источника. Конденсатор С 2 не пропускает на выход постоянного напряжения, и в рассматриваемом стабильном состоянии триггера выходное напряжение равно нулю. При подаче на вход импульса напряжения он не будет оказывать влияния на схему, если амплитуда импульса меньше напряжения смещения между базой и эмиттером транзистора Т 1 , подаваемого с резистора R 5 . Если же амплитуда входного импульса превысит указанную величину, то транзистор Т 1 откроется. Вследствие уменьшения напряжения на коллекторе транзистора Т 1 уменьшается прямое смещение на базе транзистора Т 2 , в результате чего его ток эмиттера уменьшится. Соответственно уменьшится падение напряжения на резисторе R 5 , а прямое смещение на базе первого транзистора возрастет и вызовет дальнейшее увеличение тока через транзистор Т 1 . Падение напряжения на резисторе Ri еще больше возрастет и приведет к еще большему уменьшению прямого смещения на базе Т 2 и уменьшению падения напряжения на резисторе R 5 - Этот регенеративный процесс будет продолжаться до тех пор, пока транзистор Т 1 полностью не откроется, а Т 2 не закроется. Когда ток коллектора транзистора Т 2 спадет от максимальной величины до нуля и соответственно падение напряжения на резисторе R 4 станет уменьшаться, напряжение на коллекторе, которое является выходным, начнет возрастать. Изменение напряжения на коллекторе передается через конденсатор С 2 и является выходным сигналом; форма и величина выходного сигнала зависят от величины сопротивления на- грузки R„ и постоянной времени (R4 + Rн)С 2 . Состояние, соответствующее отпертому транзистору Т 1 и запертому транзистору Т 2 , является вторым устойчивым состоянием схемы, и оно сохраняется в течение длительности входного импульса. Когда напряжение входного импульса спадет до нуля, схема вновь возвратится в исходное состояние: транзистор Т 1 закрыт, а транзистор Т 2 открыт. Если постоянная времени (R 4 + Rн)С 2 значительно превосходит длительность входного импульса, то амплитуда выходных импульсов остается практически постоянной независимо от изменений высоты входных импульсов (при условии, что они превосходят уровень запирания Т 1 ). На частотах повторения импульсов более 20 кГц эффективность схемы можно повысить путем применения конденсатора связи вместо входного трансформатора. 13.6. Селектор синхроимпульсов Телевизионное изображение передается при помощи сигналов, представляющих собой комбинацию сигналов изображения, синхросигналов и бланкирующих (гасящих) импульсов. В приемном устройстве синхроимпульсы необходимо отделить Рис. 13.6. Схема селектора синхроимпульсов. От сигнала изображения и подать на соответствующие схемы кадровой и строчной разверток. Схема селектора синхроимпульсов, показанная на рис. 13.6, выполняет как раз эту операцию. В этой схеме резистор Ri включен между базой транзистора и землей, и поэтому прямое смещение на базе отсутствует. При этом на базе поддерживается нулевой или очень небольшой уровень напряжения. К базе может быть приложено обратное смещение чтобы транзистор был закрыт до прихода входных сигналов достаточной амплитуды, которые переведут его в открытое состояние. В этом случае только синхроимпульсы, имеющие достаточно большую высоту, могут превысить обратное смещение и перевести транзистор в открытое состояние. Ьсли схема построена на транзисторе n-р-n-типа, то входной сигнал должен иметь положительную полярность, обусловливающую прямое смещение эмиттерного перехода транзистора. При правильно спроектированной схеме только синхроимпульсы могут открыть транзистор, а следовательно, появиться на коллекторном выходе. Здесь эти импульсы через конденсатов С, подаются на интегрирующую цепь, составленную из резистора Яз и конденсаторов С 3 и С 4 . Интегрирующая цепь имеет большую постоянную времени, которая выбирается таким образом чтобы последовательно поступающие импульсы кадровой синхронизации постепенно повышали напряжение до тех пор, пока оно не окажется достаточным для запуска генератора кадровой развертки и его синхронизации (см. разд. 11.1 и рис. 11.1). Через конденсатор С 2 , также присоединенный к коллектору транзистора, синхроимпульсы подаются на фазовый де- тектор схемы строчной развертки. Здесь синхроимпульсы сравниваются с сигналами от выходного каскада строчной развертки для осуществления синхронизации (разд. 9.11). 13.7. Индикатор настройки В высококачественных приемниках с целью индикации усиления принятого сигнала или для облегчения точной настройки применяется измеритель (индикатор) настройки (рис. 13.7). Сигнал с последнего каскада усилителя промежуточной частоты через конденсатор C 1 подается на детектор индикаторной схемы Д1 и на параллельный контур, настроенный на промежуточную частоту. Резисторы R 1 и R 2 вместе с конденсатором С 3 осуществляют фильтрацию пульсаций напряжения после детектора. Как показано на рисунке, величину постоянного напряжения после детектора, подаваемого на базу n — р — n-транзистора, можно регулировать при помощи переменного резистора R 2 . Рис. 13.7. Схема индикатора настройки. Рис. 13.8. Система переключения рода работы магнитофона. Диод Д1 является детектором высокочастотных сигналов, поэтому после демодуляции и фильтрации напряжение будет равно среднему значению входного сигнала. Так как величина прямого смещения, приложенного между базой и эмиттером транзистора, определяет величину тока, протекающего через транзистор, то этот ток будет пропорционален входному сигналу, поступающему с усилителя промежуточной частоты. Следовательно, в конце настройки, когда требуется ее наибольшая точность, как раз обеспечивается большее отклонение стрелки индикатора, когда ток через транзистор максимален. Диапазон отклонения стрелки индикатора устанавливается при помощи резистора R 4 . Диод Д 2 присоединен к схеме таким образом, что на него подается прямое смещение, величина которого определяется резисторами R 4 и R 5 . Следовательно, если движок резистора R 4 смещать к точке А, то суммарное сопротивление резисторов R 4 и 7?s уменьшается и ток через диод Д 2 возрастает. Таким образом, при большом сигнале на входе схемы прибор шунтируется диодом в большей степени, что предотвращает зашкаливание прибора. При слабом сигнале резистор R 4 уста- навливают таким образом, чтобы через диод Д 2 протекал очень малый ток, а большая часть тока протекала через прибор, обеспечивая достаточное отклонение стрелки. 13.8. Система переключения рода работы магнитофона В магнитофонах кассетного или катушечного типа для переключения рода работы «Воспроизведение» или «Запись» используется система, показанная на рис. 13.8. В такой системе должно быть несколько переключателей на общем валу, так как они должны срабатывать одновременно при переключении с воспроизведения на запись и наоборот. Как показано на рисунке, имеются два входных гнезда: одно для подачи сигнала от микрофона, а другое — от радиоприемника или звукоснимателя, причем последнее гнездо включено через последовательный резистор. Этот резистор необходим для уменьшения входного сигнала, если он превышает уровень сигнала с микрофонного входа. Комбинированный вход должен отключаться, когда магнитофон находится в положении «Воспроизведение». Должны переключаться также и записывающая, и стирающая головки; в случае если записывающая головка является одновременно и головкой воспроизведения, то переключатель заземления головки должен устанавливаться в положение «Запись» или «Воспроизведение», как показано на рисунке. В положении «Воспроизведение» стирающая головка должна быть отключена, чтобы не происходило стирания записи. (Генератор тока высокой частоты для стирания записи работает непрерывно, и его сигнал .подается на стирающую головку.) Переключение должно производиться и на выходе магнитофона. Выход должен отключаться во время записи, но при этом к нему должен быть подключен указатель (измеритель) уровня заштст? В положении «Воспроизведение» подключается рези-стивная схема, соединенная с выходным гнездом. В данной конкретной системе указатель уровня остается подключенным к схеме и работает во время воспроизведения. 13.9. Схема гашения В цветных телевизионных приемниках управление полосовым усилителем осуществляется сигналами цветности и требуется, чтобы синхроимпульсы не проходили через этот усилитель и не попадали на кинескоп, иначе они вызовут искажение изображения. Поэтому в приемнике должна быть предусмотрена схема гашения. Типичная схема гашения, в которой использованы транзисторы n — р — n-типа, изображена на рис. 13.9. В этой схеме на базу запирающего транзистора с выходного трансформатора строчной развертки подаются импульсные сигналы, которые периодически создают на базе положительное смещение, в результате чего транзистор открывается во время действия импульса. Эмиттер транзистора полосового усилителя подключен к земле через резистор R4- Поэтому с приходом на базу импульса гашения транзистор открывается и ток, протекающий через резистор R 4 , возрастает. В .результате падение напряжения на резисторе R 4 увеличивается; его полярность указана на рисунке. Поэтому прямое смещение на транзисторе полосового усилителя уменьшается настолько, что транзистор закрывается. Так как описанное бланкирование полосового усилителя осуществляется во время прихода синхроимпульсов, то последние не проходят на выход усилителя и, следовательно, не подаются на кинескоп. Рис. 13.9. Схема гашения и фиксации. 13.10 Система переключения AM- и ЧМ-сигналов в стереоприемнике В стереоприемнике обеспечивается возможность переключения с приема амплитудно-модулированных сигналов на прием сигналов с частотной модуляцией. Кроме того, такой приемник может иметь вход для звукоснимателя магнитного или пьезоэлектрического типа, дополнительный вход для воспроизведения записи с магнитофона, а также выход для записи сигналов на магнитофон. Различные соединения, выполняемые при переключении, показаны на рис. 13.10. Сигнал, поступающий с звукоснимателя, прежде чем поступить «а основной усилитель звуковой частоты, подается на предварительный усилитель. Уровень сигнала, подаваемого на дополнительный магнитофонный вход, должен быть достаточно большим, так как этот сигнал, минуя каскад предварительного усиления, поступает прямо на основной уси- литель. Сигнал, поступающий на магнитофонный выход для записи, снимается с промежуточных каскадов звуковых усилителей (обозначенных на схеме буквами х и у) и подается на соответствующие выходные зажимы, обозначенные теми же буквами. Выходы правого и левого усилителей, подключенные к громкоговорителям, могут, кроме того, присоединяться к головным телефонам. При включении телефонов громкоговорители отключаются и присоединяются последовательные резисторы по 330 Ом, которые уменьшают выходной сигнал и таким образом исключают перегрузку телефонов. (В более дорогих стереопри-емниках высшего класса предусматриваются дополнительные выходы на высококачественные громкоговорители.) 13.11. Системы управления Сервомеханизмы и сельсины широко применяются в различных электронных устройствах в качестве дистанционных датчиков механических величин, для управления механическими процессами и для коррекции механических величин при помощи электрических или электронных схем. Таким образом, термины «сервомеханизм» и «сельсин» в общем случае связаны с системами управления. В данной главе рассматриваются электронные схемы, которые используются вместе с сервомеханизмами и сельсинами. Рис. 13.10. Система переключения AM- и ЧМ-сигналое в стереоприемнике. Электромеханические системы управления бывают двух типов: разомкнутые и замкнутые. Система разомкнутого типа — это электрические и механические устройства, соединенные между собой образующие законченную систему, предназначенную для выполнения определенной функции при лодаче соответствующей команды. Таким образом, электрическую стиральную машину или электросушитель можно рассматривать как разомкнутую систему. Например, в электросушителе при нажатии кнопки производится включение схемы и начинается выполнение механических операций. Степень нагрева и время сушки устанавливаются заранее. Система устроена таким образом, что по окончании заданного времени она автоматически отключается. Бытовые нагревательные приборы, регулируемые при помощи термостатов, можно рассматривать как замкнутые системы управления. Здесь термостат является датчиком отклонения температуры от некоторого заданного уровня. При отклонении температуры от заданного уровня автоматически включается нагреватель, температура повышается до заданного уровня, после чего система выключается. Сервомеханизм можно определить как систему управления замкнутого типа, в которой элементом управления является положение стрелки, рычага или стержня. Сервомеханизм, или следящая система, используется в радиолокационной станции, где управляемым элементом является механическое положение антенны. Еще одним примером применения сервомеханизма является цветная печать, где объектом управления является положение бумаги, необходимое для получения правильного отпечатка. Сервомеханизмы применяются также для управления давлением жидкости в трубопроводе, осуществляемого изменением положения клапана, регулирующего давление. Сельсины представляют собой устройства, преобразующие механические величины в электрические сигналы, которые передаются по проводам и затем опять преобразуются в механические величины. На практике применение сервомеханизмав и сельсинов взаимно связано. Основные схемы указанных механизмов рассматриваются в настоящей главе. 13.12 Сельсины Сельсины — это устройства, похожие на небольшие электродвигатели, но в отличие от последних не вращающиеся непрерывно при подаче на них электроэнергии. Эти устройства выполняют функцию преобразования, т. е. могут преобразовать информацию о положении в электрический сигнал, при помощи которого можно дистанционно воспроизвести идентичное механическое состояние. Таким образом, сельсины, или синхронные устройства, могут преобразовывать механическую величину в электрическую и наоборот. Сельсины благодаря их передаточным характеристикам можно использовать для передачи данных путем преобразования информации о положении вала в электрические сигналы и передачи их по проводам. В месте приема при помощи этих сигналов другой вал устанавливается в положение, соответствующее положению первого вала. Это позволяет осуществлять синхронное вращение валов без механического соединения между яими. Следует, однако, иметь в виду, что сельсины не могут развивать большого вращающего момента. Поэтому в некоторых случаях вращающий момент на втором валу требуется усиливать с тем, чтобы он имел достаточную величину для преодоления нагрузки на валу. Используемые для этой цели устройства называют сервомеханизмами. В тех случаях, когда требуется дистанционно воспроизвести только показание какой-либо шкалы, усиливать вращающий момент вала не требуется. Сельсины бывают трех основных типов. Сельсины, которые вырабатывают сигнал посредством изменения угла поворота, называют генератором или сельсин-датчиком. Сельсин, расположенный на .некотором расстоянии от первого и принимающий его сигналы, называют мотором или сельсин-приемником. Если между генератором и мотором применяется промежуточный сельсин, то его называют дифференциальным сельсином. Схема и рабочие характеристики дифференциального сельсина .будут рассмотрены ниже. Синхрогенераторы и моторы имеют по пять внешних выходов (рис. 13.11,а). Соединение генератора и мотора показано на рис. 13.11,6. Заметим, что символы мотора и генератора идентичны и соответствующие выводы, обозначенные через S, соединяются между собой. Питающее напряжение подводится к выводам обмотки ротора, обозначенным Ri и R 2 . Обмотка ротора эквивалентна первичной обмотке трансформатора. Три вторичные обмотки обозначены на рисунке символами 5 Ь 5 2 и 5 3 . Эти обмотки расположены в статоре и сдвинуты относительно друг друга на 120°. (Пространственный сдвиг обмоток не означает, что используется трехфазный ток; для питания здесь применяется однофазный ток.) Если сельсин-датчик и сельсин-приемник соединить между собой, как показано на рис. 13.11., б, и вал сельсин-датчика установить в нулевое положение, то вал сельсин-приемника также займет это положение благодаря воздействию электрических сигналов, поступающих в сельсин-датчик. Заметим, что для соединения сельсин-датчика с сельсин-приемником требуются три провода. В нулевом положении осевой полюс обмотки ротора совмещен с осевым полюсом обмотки статора S 2 , как показано на рисунке. В этом положении имеет место трансформаторное действие, и напряжение 120 В, подаваемое на первичную обмотку (обмотку ротора), индуцирует на обмотке статора 5 2 напряжение 50 В. В этом положении напряжения, наводимые в обмотках Si и 5 3 , будут меньше и равны 25 В. Далее между сельсин-датчиком и сельсин-приемником должно установиться равновесие напряжений. При этом ротор сельсин-приемника займет точно такое же положение, что и ротор сельсин-датчика. Следовательно, ось первичной обмотки сельсин-приемника совместится с осью обмотки 5 2 статора. В этом положении между сельсин-датчиком и сельсин-приемником ни по одному из трех проводов не будет протекать ток. Если вал сельсин-датчика изменит свое положение, то будет иметь место разбаланс напря- жений между обмотками сельсин-датчика и сельсин-приемника, в результате чего ротор сельсин-приемника займет то же положение, что и ротор сельсин-датчика. При этом вновь установится равновесие напряжений. В течение времени, когда ротор сельсин-приемника движется в положение, соответствующее положению ротора сельсин-датчика, в соединительных проводах протекает ток. Когда же роторы сельсин-приемника и сельсин- датчика имеют одинаковое положение, протекание тока прекращается. Протекание тока и, следовательно, потребление энергии необходимо для создания вращающего момента, который восстанавливает ротор сельсин- приемника в положение, соответствующее положению ротора сельсин-датчика. Рис. 13.11. Вид сельсина (с) и схема соединения сельсин-датчика и сельсин-приемника (б). 13.13. Дифференциальные сельсины Дифференциальные сельсины позволяют зафиксировать угол поворота вала, который является разностью углов поворота валов двух других сельсинов. В такой системе один сельсин является сельсин-приемником, а два других — сельсин-датчиками. Дифференциальный сельсин может быть соединен также с двумя другими сельсинами таким образом, что угол поворота его вала будет вычитаться из угла поворота вала одного из сель- син-датчиков. В этом случае разность углов поворота валов двух сельсинов фиксируется относительным углом поворота вала сельсин-приемника, а дифференциальный сельсин служит в качестве сельсин-датчика. Можно сельсины соединить таким способом, что из угла поворота вала дифференциального сельсина будет вычитаться угол поворота вала сельсин-датчика. Разность будет фиксироваться углом поворота вала сельсин-приемника. Как и в предыдущем случае, дифференциальный сельсин служит здесь в качестве сельсин-датчика. Схематическое изображение дифференциального сельсина показано на рис. 13.12, а. Здесь, так же как в сельсин-датчике и сельсин-приемнике, имеются три обмотки статора Si, 5 2 и S 3 . Однако ротор в дифференциальном сельсине имеет не две обмотки, а три. Эти обмотки расположены в пазах ротора на равных расстояниях одна от другой. (На рисунке роторные обмотки обозначены символами R 1 , R 2 и Rз.) В зависимости от схемы использования обмотки присоединяются к той или иной обмотке других сельсинов (рис. 13.12,6 — г). Хотя схема соединения одинакова для случаев использования дифференциального сельсина в качестве сельсин- датчика и сельсин-приемника, однако на практике при использовании дифференциального сельсина в качестве сельсин-приемника приходится вводить незначительные конструктивные изменения. Они сводятся к введению демпфирующего устройства для гашения возможных колебаний около правильного положения. Точно так же и обычный сельсин-приемник отличается от сельсин-датчика наличием в нем демпфирующего устройства. Схема, показанная на рис. 13.12,6, применяется в случае, когда управление сельсин-приемником осуществляется от двух сельсинов — сельсин-датчика и дифференциального сельсина. Валы сельсин-датчика и дифференциального сельсина соединены с механизмами, вращение которых должно обеспечиваться валом сельсин-приемника. Таким образом, положение вала сельсин-приемника будет определяться изменением положения любого из валов — сельсин-датчика и дифференциального сельсина. При повороте этих двух валов вращение вала сельсин-датчика изменяет сигнал, подаваемый на дифференциальный сельсин. Это приводит к повороту вала дифференциального сельсина, вызывающего появление сигнала, который способствует установлению вала сельсин-приемника в синхронное положение. Угол поворота вала сельсин-приемника равен алгебраической разности между углами поворота сельсин-датчика и дифференциального сельсина, т. е. M=(G — D)°. Таким образом, когда дифференциальный сельсин действует как сельсин-датчик, эта операция является вычитанием. Когда дифференциальный сельсин является сельсин-приемником, можно использовать аналогичное уравнение. В этом случае угол поворота вала дифференциального сельсина, используемого в качестве сельсин-приемника, составит D=(G — М)°. Рис. 13.12. Схематическое изображение дифференциального сельсина (а) и способы включения такого сельсина (б — г). На рис. 13.12,0 дифференциальный сельсин подключен таким образом, что выполняется операция сложения. Здесь вал сельсин-приемника будет принимать положение, соответствующее равенству М — (G + Z)) 0 На схеме рис. 13.12, г дифференциальный сельсин используется в качестве сельсин-приемника, поэтому угол поворота его вала равен сумме углов поворота двух сельсин-датчиков. Таким образом, угловой поворот вала сельсин-датчика, используемого в качестве сельсин-приемника, равен D=(G + M)°. В этом случае также имеет место процесс сложения, как и для схемы на рис. 13.12, в, только дифференциальный сельсин используется здесь в качестве сельсин-приемника, а не сельсин-датчика, 13.14. Электромашинный усилитель — амплидин Амплидин применяется в сервомеханизмах и в промышленных электронных установках для усиления относительно слабой электрической энергии, подводимой к его обмоткам. По своим характеристикам усиления мощности амплидин, или электромашинный усилитель, значительно превосходит обычные генераторы. Генератор постоянного тока можно рассматривать как усилительное устройство, так как небольшие изменения тока возбуждения вызывают значительно большие изменения выходного тока. Коэффициент усиления амплидина существенно превышает усиление, которое можно получить в случае, когда энергия с одного генератора подается в обмотку возбуждения второго, более мощного генератора с целью усиления. Если сравнить обычный генератор с амплидином, то коэффициент усиления по мощности амплидина может иметь значения 25000 — 50000, в то время как усиление обычного генератора постоянного тока находится в пределах примерно 25 — 100. Таким образом, мощность подводимая к обмотке возбуждения амплидина, может составлять всего несколько ватт, а выходная мощность при этом .равна более 20000 Вт. Схема амплидина изображена на рис. 13.13. Верхняя и нижняя щетки замкнуты накоротко, как показано на рисунке, что обеспечивает протекание больших токов в этой цепи. Следовательно если до замыкания щеток выходной ток был равен 100 А при токе возбуждения 4 А, то при короткозамкнутых щетках ток возбуждения, равный -0,2 А, будет достаточен для получения той же величины тока 100 А. Рис. 13.13. Схема амплидина. Ток короткого замыкания якоря создает сильное поперечное поле- этот эффект называется реакцией якоря. При вращении якоря его обмотки .пересекают это поле, и в них индуцируется напряжение, сдвинутое по отношению к полю возбуждения на 90°. Поэтому для получения максимальной мощности в нагрузке используются дополнительные щетки, сдвинутые по отношению к первым на 90°. Магнитное поле, обусловленное реакцией якоря, и поле, которое ее вызывает, сдвинуты по фазе на 90°. Управляющее магнитное поле и поле реакции нагрузки отличаются по фазе на 180° Такой фазовый сдвиг вызывает эффект компенсации, который приводит к уменьшению выходной мощности, а его действие можно сравнить с действием обратной связи в усилителях. Эффект компенсации можно минимизировать путем введения специальной компенсирующей обмотки L 2 . Компенсирующая обмотка обычно располагается на отдельном полюсе и имеет число витков, которое должно обеспечивать компенсацию магнитного поля, обусловленного нагрузкой. Так как поле возбуждения амплидина можно изменять, это устройство можно использовать для управления скоростью вращения двигателей постоянного тока. Кроме того, амплидин можно применять в качестве возбудителя для другого генератора с целью регулирования последнего. Так как для возбуждения амплидина требуется небольшая мощность, то проблемы стабилизации напряжения амплидина, как правило, не возникает. По этой причине амплидин можно использовать для регулирования напряжения мощных генераторов. 13.15. Схемы с фотоэлементами Светочувствительные фотоэлементы весьма широко используются во всех областях электроники для преобразования света в электрические сигналы. Они находят применение в киноаппаратуре, промышленных системах контроля, устройствах защиты, в системах регулирования уличного освещения. По краю-кинопленки имеются светлые и темные участки, соответствующие звуковому сопровождению фильма. Свет, проходящий через эти участки, изменяет свою интенсивность. Эти изменения воспринимаются фотоэлементом и .преобразуются в электрические звуковые сигналы, которые затем усиливаются и воспроизводятся динамиком. В промышленных установках присутствие, отсутствие или изменение светового потока вызывают замыкание или размыкание соответствующих реле, которые приводят в действие сервомеханизмы (см. разд. 13.12 — 13.14). В защитных устройствах, например в системах охраны или системах защиты машин, прерывание луча света вызывает подачу сигнала тревоги или выключает рабочий процесс машины. В домашних и уличных системах освещения с наступлением темноты фотоэлемент включает освещение. Фотоэлементы бывают двух типов: на основе фотоэлектрического и фоторезистивного эффектов. Схема, в которой используется фотоэлемент с фотоэлектрическим эффектом, изображена на рис. 13.14, а. Такой фотоэлемент вырабатывает электрическое напряжение, и до тех пор, пока на него падает свет, в замкнутой цепи протекает ток. В фотоэлементе с фоторезистивным эффектом (рис. 13.14,6) под действием света изменяется сопротивление, а следовательно, и проводимость. Таким образом, для работы схем с фоторезистивным элементом требуется внешний источник напряжения. Фотоэлементы изготовляют разнообразных типов: в виде вакуумных или газонаполненных ламп, полупроводниковых диодов или транзисторов. Полупроводниковые фотоэлементы, в которых в качестве светочувствительного материала используется селен, работают на принципе фотоэлектрического эффекта. Они имеют высокую чувствительность и находят широкое применение в тех случаях, когда частота изменения светового потока не превосходит 2000 Гц. Фототранзисторы обладают также высокой - светочувствительностью, но могут работать при значительно более высоких частотах по сравнению с селеновыми фотоэлементами. Основным представителем класса фотопроводящих приборов является фотосопротивление. Фотосопротивления изготовляют из сульфида кадмия; они также имеют очень высокую светочувствительность. Однако область применения этих приборов ограничивается низкими частотами, поэтому их применяют главным образом в переключающих (релейных) схемах. (Выпускавшиеся ранее фотоэлементы вакуумного типа имели высокую светочувствительность и хорошие частотные характеристики, в то время как рабочая частота газонаполненных фотоэлементов не превышала 10 кГц.) Рис. 13.14. Схемы с фотоэлементами (а — г) и условные обозначения последних (д — ж). В фотоэлектрических релейных схемах для увеличения тока, поступающего в обмотку реле, используются транзисторные усилители. На рис. 13.14, в показано реле с нормально разомкнутыми контактами, хотя в случае необходимости могут использоваться реле и с нормально замкнутыми контактами. Напряжение, снимаемое с фотоэлемента, в соответствующей полярности прикладывается к транзистору р — n — р-типа и создает на его базе прямое смещение. При увеличении интенсивности света, падающего на фотоэлемент, с последнего будет сниматься более высокое напряжение и будет протекать больший ток через транзистор. При достаточной величине тока через транзистор реле замыкается, а когда интенсивность света уменьшится ниже заданного уровня, реле размыкается. На рис. 13.14,г показана схема, приводящая в действие реле при помощи фоторезистивного элемента. В этой схеме светочувствительный резистор, или фоторезистор, включен последовательно с источником прямого смещения в цепь базы транзистора. Как показано на рисунке, на эмиттере транзистора создается положительный потенциал от источника, а его отрицательный полюс приложен к базе через фоторезистор. При небольшом световом потоке, падающем на фоторезистор, сопротивление последнего будет большим, и создаваемое смещение базы транзистора недостаточно для его отпирания. При увеличении интенсивности светового потока проводимость фотоэлемента возрастает, увеличивается прямое смещение базы транзистора и возникающий ток транзистора включает реле. По мере увеличения проводимости фоторезистора увеличивается ток между базой и эмиттером и транзистор усиливает это изменение тока. Бели чувствительность реле низкая (для его переключения требуется большая величина тока), используется дополнительный каскад усиления. На рис. 13.14, д показано условное обозначение светодиода. Такие приборы применяются для индикации включения электронных устройств или определенного режима их работы. Свето-диоды излучают свет, когда между анодом (А) и катодом (К) приложено напряжение 5 В. Условное обозначение фотодиода показано на рис. 13.14, е. Такие приборы вырабатывают напряжение на выходных зажимах при воздействии на них световой энергии. На рис. 13.14, ж показано условное обозначение фототранзистора. 13.16. Основные измерительные схемы Применяемая в вольтметре схема, обеспечивающая измерение напряжений разных диапазонов, показана на рис. 13.15, а. В качестве основного измерителя в приборе используется мил-ли- или микроамперметр, а последовательно с измерителем подключаются резисторы с различным сопротивлением. Последовательные резисторы служат для ограничения максимально допустимого тока, протекающего через измеритель, до величины, которая определяется внутренней катушкой измерителя. Таким образом, независимо от диапазона измеряемого напряжения напряжение, прикладываемое к катушке измерителя, не превышает установленного значения. Величину сопротивления последовательного резистора, требуемую для измерения в пределах определенной шкалы, можно найти из следующего выражения: R н = R„(R-1), (13.1) где R n — сопротивление одного из последовательных резисторов; R H — внутреннее сопротивление измерителя; А 7 — множитель, на который следует умножить показание прибора. Рис. 13.15. Схемы вольтметра (а) и амперметра (б). Таким образом, если в вольтметре с максимальным пределом измерения 5 В используется измеритель от 0 до 1 мА с внутренним сопротивлением Rи=50 Ом, то вначале нужно определить падение напряжения на внутреннем сопротивлении измерителя. При токе I=1 мА E = IR и =0,001 -50 = 0,05 (В). Эта величина меньше 5 В в 5/0,05=100 раз. Следовательно, из уравнения (13.1) получим R п = 50.(100 — 1) = 50*99 = 4950 Ом. Измерительный прибо(р с максимальным током 50 мкА обладает в измерительных схемах более высокой чувствительностью по сравнению с измерителем, максимальный ток которого равен 1 мА. Чувствительность вольтметра (Ом/В) показывает величину множителя, на который нужно умножить сопротивление резистора, чтобы увеличить шкалу измерителя на 1 В. Измеритель чувствительностью 20 000 Ом/В оказывает меньший нагрузочный эффект на схему, в которой производится измерение, по сравнению с измерителем чувствительностью 1000 Ом/В. Схема амперметра, в которой также используется переключатель для выбора различных диапазонов измерения, показана на рис. 13.15,6. Диапазоны измерения от миллиампер до ампер можно получить путем использования соответствующих шунтирующих резисторов. Через шунтирующий резистор протекает избыточный ток, и таким образом предотвращается протекание через измеритель больших токов, превышающих максимально-допустимую величину, соответствующую полному отклонению стрелки прибора. Сопротивление шунтирующего резистора, обеспечивающего определенный диапазон измерения тока, можно найти из уравнения (13.2) где Rш — сопротивление шунтирующего резистора; R и — внутреннее сопротивление измерителя; N — множитель, на который следует умножить показание прибора. Таким образом, если миллиамперметр имеет основной диапазон измерений от 0 до 3 мА и требуется расширить диапазон измерений до 9 мА, то N = 3. Если внутреннее сопротивление измерителя равно 28 Ом, то сопротивление шунтирующего резистора Рис. 13.16. Схемы комбинированного вольтметра и миллиамперметра (а) и омметра (б). Если вольтметр, амперметр « другие измерительные приборы объединяют вместе, то требуется применять специальный переключатель. Прибор такого типа, включающий в себя вольтметр и амперметр, изображен на рис. 13.16, а. Заметим, что при измерении напряжения резисторы подключаются последовательно с выводами прибора. При измерении тока используются два контакта переключателя, которые присоединяют шунтирую- щий резистор параллельно измерителю. Типичная схема омметра приведена на рис. 13.16,6. Для обеспечения более широких пределов измерения сопротивлений миллиамперметр, используемый в омметре, должен иметь более-высокую чувствительность. В приведенной схеме резистор R 1 служит для ограничения тока, протекающего через измерительный прибор, в допустимых пределах. Переменный резистор R 2 обеспечивает возможность регулировки нулевого положения стрелки прибора при изменении напряжения источника питания. Шкала в таких приборах калибруется таким образом, что нулевое положение соответствует полному отклонению стрелки вправо. Следовательно, при измерении сопротивлений их большему значению соответствует большее отклонение стрелки влево. При измерении больших сопротивлений через прибор протекает очень малый ток и стрелка отклоняется влево, где шкала фиксирует большие величины сопротивлений. |