4. Вибропреобразователи

Вибропреобразователь представляет собой электромагнитное устройство типа поляризованного реле; это реле работает в вибрационном режиме, поскольку его обмотка подключена к источнику переменного тока. Вибропреобразователи предназначены для преобразования постоянного тока в переменный. Они также могут применяться и для обратного преобразования — переменного тока в постоянный. В системах автоматики вибропреобразователи получили широкое применение при усилении слабых сигналов постоянных токов и напряжений, поступающих от датчиков (термопар, фотоэлементов, датчиков Холла и др.). Дело в том, что электронные и полупроводниковые усилители, усиливающие непосредственно сигнал постоянного тока, имеют серьезный недостаток, который называется «дрейф нуля». Он заключается в том, что даже при отсутствии входного сигнала (при нулевом сигнале) на выходе усилителя постоянного тока появляется некоторое напряжение, вызванное нагревом, наводками, изменениями параметров отдельных элементов усилителя. Поэтому предпочитают предварительно преобразовать слабый сигнал постоянного тока в сигнал переменного тока, затем усилить его (усилители переменного тока не имеют дрейфа нуля), а потом снова выпрямить. Электрическое устройство, преобразующее сигнал постоянного тока в соответствующий ему сигнал переменного тока заданной частоты, называется модулятором. Вибропреобразователь нашел широкое применение именно в качестве модулятора.

Усиление сигналов постоянного тока выполняют по структурной схеме (рис. 5, а), состоящей из модулятора (М), усилителя (У) демодулятора (ДМ). Напряжение постоянного тока , которое необходимо усилить, поступает на модулятор, который также получает питание от источника переменного напряжения, изменяющегося с частотой Переменное напряжение на выходе модулятора будет также изменяться с частотой _, которая называется несущей частотой. Амплитуда этого переменного напряжения будет пропорциональна входному сигналу постоянного тока . Затем усилитель переменного тока (У) усиливает напряжение до значения (рис. 5,б). Надо отметить, что обычно усиление происходит не только по напряжению, но и по мощности. Выходное переменное напряжение усилителя , изменяющееся с частотой_, с помощью демодулятора (ДМ) преобразуется (выпрямляется) в пропорциональное напряжение постоянного тока . Таким образом, как на входе схемы, так и на выходе имеются напряжения постоянного тока, причем выходное напряжение больше и пропорционально входному напряжению. Однако сам процесс усиления постоянного тока заменяется усилением переменного тока.

Рис. 5. Усиление сигнала постоянного тока с модуляцией и демодуляцией

Рис. 6. Устройство вибропреобразователя

Напомним, что процесс преобразования переменного напряжения по амплитуде (без усиления по мощности) выполняется очень просто — с помощью трансформатора. Постоянное же напряжение не трансформируется. Поэтому, когда требуется повысить напряжение постоянного тока, используют схему, состоящую из модулятора, трансформатора и выпрямителя. Такая задача возникает довольно часто на подвижных объектах, питаемых от аккумуляторов или батареек с напряжением 1,5—1,2 В. В этих случаях также можно использовать в качестве модулятора вибропреобразователь.

Устройство вибропреобразователя показано на рис. 6. Обмотка возбуждения 1 питается переменным током с частотой 50 Гц и создает переменный магнитный поток. Поляризующий магнитный поток создается постоянным магнитом 2. В рабочем зазоре вибропреобразователя вибрирует с частотой 50 Гц якорь 3, имеющий постоянное электрическое соединение с контактной упругой пластиной 4. В крайних положениях якоря происходит замыкание его контактной пластины 4 со стержневыми контактами 5, размещенными на упорных пластинах 6. Для регулировки работы вибропреобразователя служит винт 7. Включение вибропреобразователя в схему осуществляется с помощью стержневых контактов 8, закрепленных на цоколе 9. Цоколь и стержневые контакты такие же, как у электронных ламп, что позволяет легко и быстро заменять вибропреобразователь, а несимметричное расположение стержней исключает возможность ошибочного подключения вибропреобразователя.

Так как в зазоре вибропреобразователя действует переменное магнитное поле, то якорь 3 будет периодически перемагничиваться. Поэтому он будет попеременно притягиваться то к северному, то к южному полюсу постоянного магнита 2. Следовательно, попеременно будет происходить замыкание контактной пластины 4 то с левым, то с правым контактом 5.

Схема включения вибропреобразователя для преобразования постоянного тока в переменный показана на рис. 7,а. На вход схемы подается постоянное напряжение , график которого показан на рис. 7,б. На обмотку вибропреобразователя подается переменное напряжение питания . Под действием этого напряжения контакт1 вибропреобразователя периодически замыкается то с контактом 2, то с контактом 3. При замыкании контактов 1 и 2 напряжение на выходе вибропреобразователя (точки а и б) равно входному напряжению: . При замыкании контактов1 и 3 напряжение на выходе вибропреобразователя равно нулю: _. Таким образом, напряжение на выходе вибропреобразователя имеет вид прямоугольных импульсов (рис. 7) с периодом следования, где — ширина импульса, определяемая длительностью замкнутого состояния контактов 1—2, — ширина паузы, определяемая длительностью замкнутого состояния контактов 1—3. Обычно вибропреобразователь настраивается так, что . Последовательность однополярных импульсов можно представить в виде суммы постоянной составляющей и переменной составляющей в виде симметричных прямоугольных колебаний напряжения с амплитудой . Разделительный конденсатор С пропускает только переменную составляющую, т. е. симметричные прямоугольные колебания с амплитудой и периодом Т (рис. 7). Эти колебания можно приближенно представить в виде синусоидальных колебаний, показанных на рис. 7 пунктиром. Выражение для синусоиды выходного напряжения получают разложением периодических прямоугольных колебаний в тригонометрический ряд:

где — амплитуда синусоидальных колебаний; — угловая частота колебаний.

Рис 7. Преобразование сигнала постоянного тока в переменный с помощью вибропреобразователя

Рис. 8. Трансформаторная схема модулятора с вибропреобразователем

На рис. 8 показана трансформаторная схема включения модулятора с вибропреобразователем. Входное постоянное напряжение подается на подвижный контакт вибропреобразователя 7 и среднюю точку первичной обмотки трансформатора Тр. В результате поочередного замыкания контактов 1—2 и 1—3 напряжение подается то на левую, то на правую половину первичной обмотки трансформатора, причем направление тока в этой обмотке каждый раз изменяется. Следовательно, в сердечнике трансформатора будет создан переменный магнитный поток, а в выходной обмотке трансформатора будет наводиться ЭДС, значение которой пропорционально входному напряжению (с учетом коэффициента трансформации), а частота изменения будет равна частоте напряжения, поданного на обмотку вибропреобразователя. Для выделения синусоидального выходного напряжения служит конденсатор С, включаемый параллельно вторичной обмотке трансформатора. Вибропреобразователь, используемый в качестве электромеханического модулятора, является источником электромагнитных помех, для борьбы с которыми вибропреобразователь помешают в экран. Так как вибропреобразователь работает с очень слабыми входными сигналами, то источником помех могут быть и термоЭДС, возникающие на контактах. Для борьбы с этими помехами в качестве материала для контактов используется золото и его сплавы.

Так как разрывная мощность контактов и напряжения на контактах очень малы, то зазор между контактами можно уменьшить до 10 мкм, что позволяет создать достаточно надежную контактную систему, работающую без дребезга и с очень малым временем переключения цепи.

Отечественной промышленностью выпускаются вибропреобразователи типа ВП, питаемые напряжением 6,3 В при частоте 50 Гц, как и цепь накала обычных электронных ламп. Так же как и электронные лампы, вибропреобразователи имеют цоколь с выводами. Имеются также вибропреобразователи для питания от сети 400 Гц.

К достоинствам вибропреобразователей следует отнести высокую стабильность (отсутствие дрейфа нуля), возможность преобразования очень слабых сигналов постоянного тока (микровольты и миллиамперы), сравнительно малые габариты и вес, небольшую стоимость.

Недостатками вибропреобразователей считаются наличие высших гармоник в выходном сигнале, непригодность для преобразования быстропеременных сигналов постоянного тока (имеющих переменную составляющую с частотой, которая соизмерима с несущей частотой), наличие контактов, являющихся источниками помех и причиной выхода из строя.

Вместо вибропреобразователей находят применение полупроводниковые и магнитные модуляторы.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ РЕЛЕ