Вибропреобразова́тель — электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования постоянного низкого напряжения в переменное напряжение посредством переключения контактов .

Разделяются на силовые и измерительные преобразователи .

Силовые вибропреобразователи предназначены для преобразования низкого напряжения, например, от аккумуляторных батарей в переменное напряжение, которое далее подается на трансформатор , ко вторичной обмотке которого подключён выпрямитель . Ранее использовались для получения высокого постоянного напряжения (100—400 В ) для питания анодных цепей вакуумных ламп электронных устройств. В настоящее время полностью вытеснены полупроводниковыми преобразователями .

Измерительные вибропреобразователи применяются для преобразования малых и сверхмалых постоянных напряжений, получаемых от измерительных датчиков , например, термопар в переменное напряжение, которое удобно усиливать усилителем переменного напряжения. На выходе усилителя переменного напряжения включён либо фазочувствительный детектор, либо синхронный детектор, выполняющий преобразование переменного напряжения в постоянное. Такая структура образует прецизионный усилитель постоянного тока , температурный дрейф которого определяется только дрейфом вибропреобразователя и может быть снижен до долей микровольта.

Принцип действия силовых вибропреобразователей

Такие устройства представляют собой электромеханическую автоколебательную систему , включающую электромагнит с подвижным (якорем) и несколько контактов, управляемых положением сердечника. Постоянный ток от источника низкого напряжения подается на обмотку электромагнита. Ферромагнитный якорь электромагнита, притягиваясь к ферромагнитному сердечнику электромагнита, размыкает контакты, через которые на эту обмотку подается низкое напряжение. Пружина , связанная с якорем возвращает якорь в исходное положение. Таким образом, якорь колеблется с частотой несколько десятков Гц . Другие контакты, связанные с якорем, периодически переключают источник низкого напряжения поочередно то к одной, то к другой половине первичной обмотки повышающего трансформатора . В результате по первичной обмотке протекает переменный ток . Со вторичной обмотки трансформатора снимается переменное высокое напряжение. Для преобразования этого переменного напряжения в высокое постоянное напряжение ко вторичной обмотке подключён выпрямитель .

Чтобы получить на выходе постоянное напряжение, ещё одна группа контактов ( механический выпрямитель ), связанная с якорем электромагнита, синхронно переключает вторичную обмотку трансформатора так, чтобы направление тока в нагрузке оставалось постоянным (синхронный преобразователь), либо переменный ток со вторичной обмотки подается на внешний диодный выпрямитель (асинхронный преобразователь).

Принцип действия измерительных преобразователей

В измерительных преобразователях обмотка электромагнита обычно питается от пониженного напряжения сетевой частоты. Частота собственных механических колебаний подвижного якоря настроена на механический резонанс с частотой питающей сети (обычно 50 Гц).

В ранних самопищущих проборах ( самописцах ), сейчас вышедших из употребления, применялась следующая схема. С якорем вибропреобразователя связан подвижный контакт, который поочередно замыкается с двумя боковыми неподвижными контактами. На один из боковых контактов подается входной сигнал, на второй — сигнал обратной связи, снимаемый с реохорда ( потенциометра ), движок (скользящий контакт) которого механически связан с пером самописца. Если на боковых контактах имеются разные постоянные напряжения, то на центральном контакте появляются пульсации, амплитуда которых пропорциональна разности входных напряжений, а фаза отражает знак этой разности. Если измеряемое напряжение больше напряжения обратной связи, то на центральном (перекидном) контакте вибропреобразователя появятся пульсации в одной фазе с напряжением, питающим электромагнит. Эти пульсации усиливаются со сдвигом по фазе на 90 градусов усилителем переменного напряжения. Усиленное переменное напряжение подается на одну из обмоток двухфазного асинхронного электродвигателя , на другую всегда подается неизменное переменное напряжение в одной фазе с питающим вибропреобразователь. Электродвигатель сконструирован так, что магнитные поля этих двух обмоток взаимноперпендикулярны. При появлении напряжения на обмотке, присоединённой к усилителю, ротор двигателя приходит во вращение, и с помощью системы тросиков и шкивов перемещает скользящий контакт потенциометра и связанное с ним перо самописца до тех пор, пока постоянное напряжение, снимаемое с движка потенциометра не станет равным измеряемому. Если измеряемое напряжение станет меньше напряжения обратной связи, то двигатель будет вращаться в другую сторону, так как на его обмотках фазы напряжения окажутся сдвинуты не на 90 градусов, а на −90. Таким образом эта следящая электромеханическая система компенсирует сигнал рассогласования между входным сигналом и сигналом обратной связи. По такому принципу работает, например, самописец КСП-4.

Подобные схемные решения позволяют строить усилители постоянного тока практически без дрейфа нуля.

Применение

Вибропреобразователи широко применялись до начала 1950-х гг. для питания портативной и бортовой ламповой аппаратуры — портативных и автомобильных радиоприёмников , радиостанций и пр. от аккумуляторов и гальванических элементов. Тогда, во многих случаях, это оказывалось проще, компактнее и экономически выгоднее, чем питание от высоковольтных анодных батарей . Выпускались вибропреобразователи с выходным напряжением до 400 В и более, током нагрузки до 90 мА . Коэффициент полезного действия достигал 40—80 %.

Недостатки силовых вибропреобразователей — высокий уровень создаваемых им импульсных электрических помех, акустический шум, низкая надежность контактов и дребезг последних. Вибропреобразователь требовал тщательного экранирования, эффективной фильтрации выходного напряжения, герметизации механической части прибора — вибратора и контактов. Ресурс вибропреобразователя обычно не превышал 1000 часов непрерывной работы из-за износа контактов. Поэтому вибропреобразователи практически не применялись для питания ответственных электронных приборов, например, военных или авиационных, в этих применениях предпочитали электромашинные преобразователи — умформеры .

С развитием полупроводниковых приборов вибропреобразователи были практически полностью вытеснены транзисторными преобразователями напряжения, гораздо более экономичными, долговечными и практически бесшумными.

Другая область применения вибропреобразователей — измерительные приборы. С их использованием строились автоматические компенсационные системы, самописцы (например, КСП-4), pH-метры , милли- и микровольтметры постоянного тока. Позднее стали использоваться преобразователи с динамическим конденсатором. Сегодня и из этих областей применения вибропреобразователи почти полностью вытеснены полупроводниковыми устройствами — сверхпрецизионными операционными усилителями (примеры — К140УД24, К140УД13), работающие по тому же принципу (модулятор — усилитель переменного напряжения — демодулятор), но использующие в качестве ключей не механические контакты, а бесконтактные ключи на полевых МОП-транзисторах .

Литература

• Калинин И. Вибропреобразователь.// (недоступная ссылка) , с. 31-33
• Линенберг Г. Г. Вибропреобразователи. — М.-Л.:Госэнергоиздат, 1955
• Терлецкий В. А. Вибропреобразователь.// , с. 55-59
• Костюков В. Н., В. И. Донсков, Т. Г. Тишина Виброизмерительные преобразователи промышленного применения. — Зарубежная радиоэлектроника, 1996, № 9, С. 68-69.
• Ронжин С. Источники питания радиостанций малой мощности.//Радио, 1969, № 4, с. 47-48

Ссылки