КОНТАКТНЫЙ МОДУЛЯТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
CONTACT ELECTRIC CURRENT MODULATOR

Изобретение относится к области усилительной техники и может быть использовано для модуляции слабых постоянных и инфранизкочастотных электрических токов и напряжений в усилителях типа МДМ (модулято-демодулятор).
В высокочувствительных МДМ-усилителях преимущественное распространение получили контактные модуляторы, выполненные на основе поляризованных электромагнитных реле, называемых вибропреобразователями [1, 2].
Известен контактный модулятор электрического тока, содержащий: вибропреобразователь, контакты которого включены во входную цепь, генератор переменного тока, подключенный к обмотке возбуждения вибропреобразователя, и согласующий трасформатор, первичная обмотка которого включена во входную цепь, а вторичная - служит выходом модулятора [3].
Это устройство принято нами за прототип.
Схема известного устройства показана на фиг.1, а.
0
На схеме обозначено: 1 - источник входного сигнала - постоянного напряжения U; 2 - вибропреобразователь; 3 - генератор переменного тока; 4 - согласующий трансформатор.
m
m
вых
Известное устройство работает следующим образом. Протекающий по обмотке возбуждения вибропреобразователя переменный ток i(t)=Isinωt, где I - амплитуда и ω - круговая частота, создавая магнитное поле периодически замыкает подвижный контакт вибропреобразователя с его верхним или нижним неподвижными контактами, благодаря чему и осуществляется процесс модуляции. Импульсы модулированного тока поочередно протекают по верхней и нижней секциям первичной обмотки согласующего трасформатора, и в его вторичной обмотке наводится выходное напряжение u(t).
вых
На фиг.1, б приведены графики, поясняющие работу известного устройства. Здесь изображены (сверху вниз): график синусоидального тока, протекающего по обмотке возбуждения вибропреобразователя; график импульсов выходного модулированного напряжения u(t), фазовый угол α импульсов обусловлен конечным временем переключения подвижного контакта вибропреобразователя с одного неподвижного контакта на другой.
вых.1
m1
1
1
При одинаковой длительности τ=π-2α положительного и отрицательного импульсов выходного напряжения (что обеспечивается балансировкой вибропреобразователя) спектр напряжения содержит основную частоту (первую гармонику) и высшие нечетные гармоники. Для дальнейшего усиления обычно используют напряжение основной частоты u(t)=Usin(ωt+φ), где φ - начальная фаза.
Недостатком известного устройства является то, что выходной сигнал и подводимый к нему ток возбуждения имеют одну и ту же частоту. Несмотря на ряд принимаемых мер, часть энергии из цепи возбуждения неминуемо проникает во входную цепь, что приводит к смещению и дрейфу нуля устройства. Уровень смещения и дрейфа нуля (временного и температурного) ограничивает возможности известного устройства при усилении очень малых токов и напряжений.
Целью предлагаемого изобретения является осуществление модуляции на удвоенной частоте для уменьшения смещений и дрейфов нуля устройств - контактных модуляторов.
Эта цель достигается тем, что заявляемое устройство снабжено дополнительным вибропреобразователем, идентичным основному, а генератор возбуждения имеет дополнительный выход со сдвигом фазы тока, равным 90°, к этому выходу подключена обмотка возбуждения дополнительного вибропреобразователя; при этом контактные группы обоих вибропреобразователей включены во входную цепь последовательно и образуют две параллельные линии коммутации входного тока, соединенные с первичной обмоткой согласующего трасформатора.
Схема заявляемого устройства показана на фиг.2, а.
0
На схеме обозначено: 1 - источник входного сигнала - постоянного напряжения U; 2, 3 - основной и дополнительный вибропреобразователи соответственно; 4 - генератор переменного тока с основным и дополнительным выходом; 5 - согласующий трансформатор.
1
m
2
m
1
2
вых.2
m2
2
2
Завляемое устройство работает следующим образом. Протекающие по обмоткам возбуждения обоих преобразователей токи i'(t)=Isinωt и i''(t)=Icosωt, так же как и в устройстве-прототипе, замыкают подвижный и неподвижные контакты на время, равное τ=π-2α. Однако имепульсы модулированного тока имеют длительность τ=π/2-2α, поскольку появляются лишь в промежутки времени, когда верхние или нижние контакты основного и дополнительного вибропреобразователей замкнуты одновременно. Эти импульсы появляются дважды за один период тока возбуждения. Спектр такой последовательности импульсов содержит: постоянную составляющую, удвоенную частоту (вторую гармонику) и высшие четные гармоники. Поскольку наибольший «вес» в модулированном токе имеет удвоенная частота, то ее и целесообразно использовать в качестве выходного сигнала u(t)=Usin(2ωt+φ), где φ - начальная фаза.
1
2
B
H
2
0
На фиг.2, б приведены графики, поясняющие работу заявляемого устройства. На верхнем графике показаны кривые токов возбуждения i'(t) и i''(t), протекающих по обмоткам возбуждения основного и дополнительного вибропреобразователей соответственно. На средних графиках изображены функции проводимости верхней y(t) и нижней y(t) линий коммутации входного тока. Видно, что высокую проводимость эти линии имеют лишь в промежутки времени τ=π/2-2α, когда подвижные и неподвижные конаткты обоих вибропреобразователей замкнуты одновременно. Для верхней линии этот момент наступает при положительных полуволнах токов возбуждения, для нижней линии - при отрицательных. Наконец, на нижнем графике показаны импульсы модулированного тока i(t), поступающие в первичную обмотку согласующего трансформатора.
вых.2
m2
2
Для выделения выходного сигнала u(t)=Usin(2ωt+φ) вторичную мотку согласующего трансформатора целесообразно настроить в резонанс на частоту 2ω.
Преимущество заявляемого устройства по сравнению с прототипом заключается в том, что, выделяя сигнал удвоенной частоты, можно легко отфильтроваться от помехи основной частоты, создаваемой цепью возбуждения. Эта фильтрация обеспечивается не только за счет настройки в резонанс на частоту 2ω вторичной обмотки согласующего трансформатора, но главным образом благодаря использованию в процессе дальнейшего усиления двухтактного избирательного усилителя и синхронного детектора, также настроенных на частоту 2ω. В результате подавление помехи с основной частотой ω будет столь сильным, что она уже не сможет вызывать смещение и дрейф нуля заявляемого устройства.
Конечно, из-за несовершенства реальных генераторов в токе возбуждения обычно присутствует и составляющая удвоенной частоты. Оценим ее уровень в 1-2% от уровня тока основной частоты (в действительности в двухтактных генераторах этот уровень значительно ниже). Тогда, при прочих равных условиях (одинаковой балансировке и внутренней экранировке вибропреобразователей) получим смещение и дрейф нуля заявляемого устройства примерно в 50 раз меньший, чем наблюдается в устройстве-прототипе.
К достоинствам заявляемого устройства относится и то, что в нем могут быть использованы готовые узлы и элементы. К ним прежде всего следует отнести сами вибропреобразователи, давно хорошо отработанные конструктивно и серийно выпускаемые промышленностью как у нас в стране, так и за рубежом [3]. Из смежной области техники [4] могут быть заимствованы и элементы электроники - двухтактные генераторы с низким уровнем содержания четных гармоник, двухтактные избирательные усилители и синхронные детекторы.
Заявляемое устройство найдет применение в высокочувствительных МДМ-усилителях постоянного и инфранизкочастотного напряжений нано- и пиковольтового диапазонов.
Литература
1. Шляндин В.М. Основы автоматики. - М-Л.: Госэнергоиздат, 1958. - 592 с.
2. Измерительные преобразователи постоянного тока. Под ред. к.т.н. Синицкого Л.А. - Киев, Физ.-Мех. Институт, 1965. - 375.
3. Калинчук Б.А., Пичугин О.А. Модуляторы малых сигналов. - Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980. - 200 с.
4. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986. - 188 с.