К.т.н. Твердоступ Н.И., Чубенко В.С.

Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара

О ЛИНЕЙНОМ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ИНДУКТИВНОСТИ В АМПЛИТУДУ ГАРМОНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Особенностью автогенераторных преобразователей является их высокая чувствительность к преобразуемому параметру при малых аппаратных затратах, что полезно для создания портативных измерительных устройств. В таких преобразователях информационный сигнал в виде гармонического напряжения U на колебательном контуре является функцией его эквивалентного сопротивления R_э и определяется режимом работы автогенератора. При этом наибольшая чувствительность к преобразуемому параметру наблюдается в области малых значений эквивалентного сопротивления R_э колебательного контура. Одной из возможных реализаций является схема автогенераторного преобразователя (рис.1а), в которой к параллельному колебательному LC-контуру, индуктивной ветвью которого является датчик магнитной проницаемости. подключен конвертор отрицательного активного сопротивления (КОС), управляемый напряжением, выполненный на операционном усилителе с комбинированной обратной связью [1].

а) б)

Рис.1

Входное сопротивление R_вх конвертора представляет собой статическое отрицательное сопротивление, которое при работе усилителя в линейном режиме постоянно и равно R_вх = – R₁R₃ /R₂; при насыщенном усилителе входное сопротивление становится зависимым от напряжения U , приложенного ко входу конвертора: R_вх = – R₃/(Е_н /U – 1), где Е_н – напряжение насыщения усилителя. Стационарные колебания в схеме возникают при выполнении условия | R_вх| < R_э = L/Cr, где L, C, r – индуктивность, емкость и активное сопротивление контура соответственно. Условие существования стационарных колебаний определяется равенством | R_вх| = R_э. Анализ схемы методом гармонической линеаризации позволил получить приближенное уравнение преобразования, дающее аналитическую связь индуктивности с амплитудой напряжения на контуре в виде U = U_нL /(СrR₃+L). На рис.1б представлены типовые зависимости U =f(L), из которых следует их нелинейность, а также существование нижнего предела значений преобразуемой индуктивности L_min ≥ Cr R₁R₃ /R₂. Для уменьшения нижнего предела значений L_min, а также линеаризации зависимости U = f(L) в цепь отрицательной обратной связи следует включить стабилизатор тока i_о с внутренним сопротивлением r_{i, ,} величина которого зависит от приложенного ко входу конвертора напряжения U (рис.2а).

а) б)

Рис.2

Отличительной особенностью такого преобразователя является то, что входное сопротивление конвертора при линейном режиме работы усилителя теперь зависит от напряжения U на входе конвертора, определяется как R'_вх = – UR₃ /i₀R₂ и может принимать значения, значительно меньшие, чем в схеме на рис.1а, что обеспечивает возможность колебаний при меньших R_э, соответственно снижая нижний предел L_min. Уравнение преобразования здесь имеет вид U = Li₀R₂ /CrR₂ ,типовые зависимости U = f(L) линейны (рис.2б) до значений R_э , при которых усилитель насыщается. Достоинством схемы является также более высокая стабильность благодаря действию отрицательной обратной связи, эффективность которой в схеме без стабилизатора тока снижена из-за насыщенного режима работы усилителя. В качестве стабилизатора тока был использован полевой транзистор КП303А, включенный в диагональ выпрямительного моста, к другой диагонали которого подключалась нагрузка. Более высокая степень линеаризации характеристики была получена при построении стабилизатора тока на основе интегрального стабилизатора напряжения типа 124ЕН12.

Рассмотренные автогенераторные преобразователи были использованы для создания портативных измерителей эффективной магнитной проницаемости слабомагнитных материалов с μ = 1,05 ÷ 10.

Литература:

1. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника [Текст]. В 2 т. Т. 1: Пер. с нем. / У. Титце, К. Шенк. – М.: Додэка – ХХI, 2008. – 832 с. – ISBN 978-5-94120-200-3 (рус.).