Датчик фазы Советский патент 1993 года по МПК H03H11/20 

(Л

с

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - расширение рабочей полосы частот датчика. Датчик фазы содержит отрезок фидерной линии, трансформатор тока, первый делитель напряжения, состоящий из конденсатора и резистора, второй делитель напряжения, состоящий из катушки индуктивности и резистора, дифференциальный выпрямитель, включающий в себя два диода, два резистора, два конденсатора, дроссель и дифференциальный выпрямитель. Цель изобретения достигается за счет того, что на дифференциальный выпрямитель подаются напряжения с широкополосных устройств - трансформатора тока и с -диагонали моста, который образуется первым и вторым делителями напряжения. 2 ил. с ю

Изобретение относится к радиотехнике и может применяться в автоматических согласующих устройствах радиопередатчиков.

Известен датчик фазы, наиболее близкий по технической сущности к предложенному устройству и выбранный в качестве прототипа. Датчик содержит провод фидера, фазосдвигающий трансформатор тока со средним выводом вторичной обмотки, емкостный делитель напряжения и диодный дифференциальный выпрямитель,

Недостатком известного устройства является частотная зависимость чувствительности датчика фазы, ограничивающая его рабочую полосу частот.

Дель изобретения - расширение рабочей полосы частот датчика фазы. При этом появляется возможность получения малых габаритов, массы, потребляемой мощности, простоты настройки и надежности работы датчика.

Указанная цель достигается тем, что в известном датчике фазы, содержащем про- водфидера, подключенный к обмотке трансформатора тока со средним выводом, первый вывод которого через последовательно соединенные первый диод, включенный в прямом направлении, параллельно соединенные первый резистор и первый конденсатор, параллельно соединенные второй резистор и второй конденсатор и второй диод, включенный в обратном направлении, соединен с вторым выводом трансформатора тока, средний вывод которого через третий конденсатор подключен к проводу фидера, катушку индуктивности, первый вывод которой соединен с точкой соединения первого и второго резисторов, введены между общей шиной и средним выводом трансформатора тока третий резистор, между общей шиной и точкой соединения первого и второго резисторов четвертый резистор, дифференциальный

усилитель, выход которого является выходом датчика фазы, прямой и инверсный входы дифференциального усилителя Подключены к катодам первого и второго диодов соответственно, причем второй вывод катушки индуктивности соединен с проводом фидера.

Трансформатор тока в отличие от прототипа выбран нефазосдвигающим (напряже- ния на концах вторичной обмотки трансформатора тока относительно его среднего вывода находятся одно в фазе дручгое в противофазе с током фидерной линии, что достигается известным способом шунтирования вторичной обмотки трансформатора тока достаточно малым по сравнению с индуктивным сопротивлением этой обмотки резистором). Необходимый для работы датчика фазы фазовый сдвиг на 90° (при чисто активной нагрузке фидера) между на, пряжениями, подаваемыми на первый и второй диоды и снимаемыми: одно с трансформатора тока, другое - с третьего и четвертого резисторов, обеспечивается выбором малых величин этих резисторов по сравнению с реактивным сопротивлением соединенных с ними третьего конденсатора и катушки индуктивности. Существенно отличается от прототипа назначение катушки индуктивности и ее соединение в схеме дат. чика. Если в прототипе она служит дросселем, замыкающим цепи постоянного тока диодов и блокирующим прохождение высокочастотных токов, то в предложенном устройстве катушка индуктивности является элементом высокочастотного делителя напряжения, подаваемого на диоды, а пострян ные составляющие токов диодов замыкаются через третий и четвертый резисторы. В такой конструкций недопустимо соединение нагрузок диодов (первого или второго резисторов) с общей шиной, поэтому разность напряжений на нагрузках диодов формируется с помощью дифференциального усилителя.

На фиг.1 изображена схема электрическая датчика фазы: на фиг. 2 представлены векторные диаграммы напряжений и токов в датчике фазы.

Датчик фазы содержит отрезок фидерной линии 1, трансформатор тока 2, первый диод 3, второй диод 4, первый резистор 5, первый конденсатор 9, второй резистор 6, второй конденсатор 10, третий конденсатор 11, третий резистор 7, четвертый резистор 8, катушку индуктивности 12, дифференциальный усилитель 13.

На векторных диаграммах фиг.2 обозначено: н, UH ток и напряжение на нагрузке фидера; (р - фазовый угол между током и

напряжением на нагрузке фидера; UL - напряжения на концах вторичной обмотки трансформатора тока относительно среднего вывода; Us, U4 - напряжения на третьем и четвертом резисторах соответственно;

.Ugi, Ug2 - напряжения на первом и втором диодах соответственно.

Датчик фазы работает следующим образом.

На каждый из диодов 3 и 4 подается переменное напряжение, являющееся геометрической суммой половины напряжения вторичной обмотки трансформатора 2 тока и напряжения между точкой соединения

конденсатора 11 и резистора 7 и точкой соединения катушки индуктивности 12 и резистора 8. Напряжения, подаваемые на диоды 3 и 4 с трансформатора тока 2, противофаз- ны, так как отсчитываются относительно

среднего вывода его вторичной обмотки. Эти напряжения находятся всегда одно в фазе, другое в противофазе с током в нагрузке фидерной линии (сумма величин сопротивлений резисторов, шунтирующих

вторичную обмотку трансформатора тока 2, значительно меньше индуктивного сопротивления вторичной обмотки трансформатора тока на минимальной частоте рабочего диапазона).

Напряжение между точкой соединения конденсатора 11 и резистора 7 и точкой соединения катушки индуктивности 12 и резистора 8 сдвинуто на 90° относительно

напряжения на нагрузке фидера, если реак- тивное сопротивление катушки индуктивности 12 и конденсатора 11 на минимальной частоте рабочего диапазона значительно больше сопротивления резистора 7 и резистора 8 соответственно. Это видно из рас- смотрения коэффициента передачи К(ю) цепи, состоящей из элементов 11, 7, 8.12:

КИ

Кю

Rn

R10+IRl1+jft)ll2

Jfr,R1oCe + L)

(t)

где RIO.RII - сопротивления резисторов 7 и 8;.

Се - емкость конденсатора 11;

1/toC9 Rio

При чисто активной нагрузке фидерной линии, когда ток 1Н и напряжения UH совпадают по фазе (фиг.2а), геометрические суммы напряжений, подаваемых на диоды 3 и 4, соответственно Ugi и Ug2, равны, равны и

выпрямленные напряжения на резисторахб и 7 (если величины сопротивления этих резисторов и величины емкости конденсаторов 9 и 10 соответственно равны), а выходное напряжение дифференциального усилителя 13 равно нулю. При появлении фазового сдвига между током и напряжением в фидерной линии напряжения на диодах 3 и 4 становятся неравными (фиг.2 б.в), и выходное напряжение дифференциального усилителя 13 становится больше или меньше нуля в зависимости от направления ухода фазового сдвига между током и напряжением в фидерной линии.

Цель изобретения, т.е. работа датчика фазы в более широкой полосе частот, обеспечивается за счет более слабой частотной зависимости напряжения между точкой соединения конденсатора 11 и резистора 7 и точкой соединения катушки индуктивности 12 и резистора 7. по сравнению с выходным напряжением фазосдвигэющего трансформатора тока в прототипе. Первое напряжение зависит от частоты в соответствии с формулой (1), второе - линейно.

Можно показать, что чувствительность датчика фазы в предлагаемом устройстве, определяется формулой:

S

2 R(UC(1 + ug/ffl).

v 1 (1 + 2 а датчика фазы в прототипе формулой:

Snp

2 М нш V1 + (М 1„ of

(3)

где R - величина сопротивления,шунтирующего вторичнук обмотку трансформатора тока; (Оо I/Ci2 Сэ; М - взаимоиндуктив- ность обмоток.

Сравнивая между собой выражения (2) и (3), можно видеть, что при « Q) частотные характеристики (2) и (3) совпадают/Однако, если выбрать о)0 равной средней частоте рабочего диапазона, т.е. отношение 0)о/а) порядка I, то зависимость чувствительности от частоты согласно выражению (2) можно значительно снизить.

Регулировку датчика фазы осуществля- ют следующим образом. Величины индукФормула изобретения Датчик фазы, содержащий провод фидера, индуктивно связанный с трансформатором тока со средней точкой, первый вывод

5 0

5 0 5

0

5

0

5

тивности катушки 12 и %мкости Сд конденсатора 11 выбирают исходя из вырэжеНИЯ ЙАз I/L-12 Сэ. где % Ј«мйн ,

Шмин, (Имакс - минимальная и максимальная частоты рабочего диапазона. На частоте ub и при нагрузке фидера, равной волново- му сопротивлению фидера, измеряют напряжение на резисторе 7 (резисторе 8), Измеряют напряжения на концах обмотки трансформатора тока относительно его среднего вывода и регулируют каждое из этих напряжений, до значения приблизительно в два раза большего, чем напряхсе- ние на резисторе 10 (в этом случае напряжения, подаваемые на диоды 3 и 4 с трансформатора тока 2 и с делителя напряжения, образуемого элементами 9-12, будут приблизительно равными). Такая регулировка, осуществляется поочередным изменением величины резисторов, шунтирующих трансформатор тока 2, При этом напряжения на концах обмотки трансформатора тока 2 должны быть установлены равными и суммарная величина сопротивления шунтирующих резисторов должна быть значительно меньшей реактивного сопротивления индуктивности вторичной обмотки трансформатора тока 2 на минимальной рабочей частоте.

Датчик выполняется по схеме фиг. 1, при этом резисторы, шунтирующие вторичную обмотку трансформатора тока 2, должны быть переменными. В диапазоне частот коротких волн параметры составных.частей датчика фазы могут быть выбраны следующими:

- трансформатор тока 2 может быть выполнен на ферритовом кольце 1000НН К7-4- 2; вторичная обмотка 25 витков, первичная -фидер, проходящий внутри кольца, шунтирующие резисторы - не более нескольких сотен, Ом; величина сопротивление резисторов 7 и 11 - несколько десятков Ом при величине индуктивности катушки 12 в несколько десятков микрогенри и величине емкости конденсатора 11 в несколько десятков пикофарад, диоды 3 и 4 могут быть типа 2Д522, резисторы 5 и 7 могут иметь величину в несколько десятков кОм, дифференциальный усилитель 13 можно выполнить на микросхеме типа 140 УД 12.

которого через последовательно соединенные .первый диод, включенный в прямом направлении, параллельно соединенные первые резистор и конденсатор, параллельно соединенные вторые резисторы и конденсатор и второй диод, включенный в обратном направлении, соединен с вторым выводом трансформатора тока, средний вывод которого через третий конденсатор под- ключен к проводу фидера, катушку индуктивности, первый вывод которой соединен с точкой соединения первого и второго резисторов, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот, введены между общей шиной и средним выводом трансформатора тока третий резистор, между общей шиной и точкой соединения первого и второго резисторов четвертый резистор, дифференциальный усилитель, выход которого является выходом датчика фазы, прямой и инверсный входы дифференциального усилителя подключены к катодам первого и второго диодов соответственно, второй вывод катушки индуктивности соединен с проводом фидера.

Выход