Модулятор. Демодулятор

Лекция 4. Усилители

Управление исполнительным органом в САР может осуществляться с помо­щью различных усилительных элементов. В качестве усилителей могут применяться электронные, магнитные, пневматические, гидравлические усилители и их сочетание. Выбор типа усилителя определяется типом измерительного преобразователя, типом и мощностью исполнительного органа.

Если измерительный преобразователь работает на постоянном токе, его выходная величина - это напряжение постоянного тока, исполнительный элемент двухфазный двигатель, то в структуре усилительного элемента обязательно предусмотрен модулятор, преобразующий напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока.

Применение модулятора необходимо для согласования входа системы (измерительный преобразователь постоянного тока) с ее выходом (двигатель переменного тока). Модулятор включается в систему до усилителя напряжения.

В усилителях, предназначенных для управления двигателем постоянного или переменного тока, конечной ступенью является усилитель мощности. Если маломощная система, то применяется усилитель мощности электронный, для получения большой мощности используются магнитные усилители, электромагнитные усилители.

Для согласования усилителя напряжения и усилителя мощности необходим демодулятор, который преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, необходимое для питания обмоток управления, допустим, магнитного усилителя.

То есть усилительное устройство, предназначенное для управления исполнительным органом, не только усиливает сигнал, но и преобразует его. В общем случае, в усилитель входят усилитель напряжения, усилитель мощности, модулятор, демодулятор.

Модулятор. Демодулятор

Модулятор - это устройство, преобразующее сигнал постоянного тока в напряжение переменного тока с амплитудой, пропорциональной величине входного напряжения, и фазой, определяемой полярностью входного напряжения. Модуляторы имеют различные схемы в зависимости от принципа действия и типа применяемых элементов.

По принципу действия различают коммутационные и балансные модуляторы. В коммутационных модуляторах модуляция осуществляется коммутатором вибрационного типа.

В балансных модуляторах используется принцип нарушения баланса схемы при подаче на вход постоянного напряжения.

Но применяемым элементам различают модуляторы электромеханические (использую реле), электронные (на полупроводниках), магнитные (на основе магнитных усилителей).

Модулятор обычно характеризуют зависимостью напряжения на выходе от напряжения постоянного тока на входе, величиной постоянной времени, наличием высших гармоник в выходном напряжении. Выходной сигнал модулятора равен:

(4.1)

где f(t) - сигнал информации, ω_о - частота источника питания (несущая частота).

Из (4.1) следует, что модулятор умножает сигнал f(t) на гармоническую функцию (sin ω_оt). Но это в идеальном случае. Реально же сигнал f(t) умножается на некоторую периодическую функцию m(t), период которой определяется несущей частотой, форма волны отличается от гармонической. Реальный выходной сигнал равен:

(4.2)

Периодическую функцию m(t) можно представить рядом Фурье:

(4.3)

Тогда выходной сигнал равен:

(4.4)

Из (4.4) следует, что на входе модулятора присутствуют составляющие высоких и низких частот; составляющие высших гармоник, составляющие частоты сигнала информации. Для выделения сигнала (4.1) используют полосовые фильтры, полоса пропускания которых зависит от максимально возможной частоты сигнала f(t).

Демодулятор выполняет функции, обратные модулятору, то есть преобразует переменный сигнал в постоянный, причем напряжение постоянного тока пропорционально по величине входному сигналу, полярность определяется фазой входного напряжения переменного тока.

Демодулировать cигнал можно, умножив на sint, то есть если на вход демо­дулятора поступает сигнал

то на выходе демодулятора имеем

(4.5)

Восстановленный сигнал содержит информацию и гармоники несущей часто­ты. Для выделения сигнала информации и подавления гармоник на выходе демодулятора ставится фильтр низких частот.

Магнитные усилители

Магнитный усилитель - устройство, в котором с помощью маломощного сигнала постоянного тока осуществляется изменение индуктивного сопротивления в мощной выходной цепи переменного тока, и, следовательно, значительное усиление по току и мощности. Магнитные усилители широко применяются в системах автоматического контроля, измерительной аппаратуре, системах автоматической стабилизации. Они надежны в эксплуатации, не чувствительны к вибрациям, допускают большие перегрузки и т.д.

Основными характеристиками магнитного усилителя являются зависимость амплитуды выходного тока (тока нагрузки) от величины подмагничивающего (управляющего) тока; коэффициент усиления по току, коэффициент усиления по мощности.

Зависимость тока нагрузки от тока в подмагничивающей обмотке называется нагрузочной характеристикой магнитного усилителя (рис. 4.1). При отсутствии тока в обмотке управления ток нагрузки минимален и называется током холостого хода.

Коэффициент усиления по току - это отношение приращения тока нагрузки к приращению тока в управляющей обмотке:

(4.6)

Коэффициент усиления по мощности - это связь между усилением мощности нагрузки и мощности в обмотках управления:

(4.7)

где R_н и R_y - сопротивления нагрузки и обмотки управления.

Рис. 4.1. Нагрузочная характеристика магнитного усилителя

Для увеличения коэффициента усиления используют магнитные материалы, у которых магнитная проницаемость резко меняется при изменении подмагничиващего ноля, повышают частоту источника питания; используют обратную положи­тельную связь.

На рис. 4.2 приведены нагрузочные характеристики магнитного усилителя с обратной связью для различных значений коэффициента усиления К_ос. При возрастании К_ос возрастает крутизна ветви с положительной обратной связью, следовательно, увеличивается коэффициент усиления К. При увеличении К_ос увеличивается ток холостого хода.

Рис. 4.2. Нагрузочные характеристики магнитного усилителя

с обратной связью

На практике используются дифференциальные, мостовые, трансформаторные магнитные усилители.