5. Разработка передатчика

В качестве прототипа использована система, описанная в журнале ElectricPowerSystemsResearch[10]. Представленный в данной статье передатчик реализован на основе балансного усилителя выполненного по схеме простого токового зеркала (Рис. 2 .35).

Рис. 2.35Схема простого токового зеркала

Токовое зеркало представляет собой идеальный источник постоянного тока, элемент электрической схемы, который обеспечивает ток в нагрузке, не зависящий от падения напряжения на нагрузке или от сопротивления нагрузки. Источник постоянного тока может быть управляемым, в этом случае ток источника является функцией другого напряжения или тока в системе и не зависит от напряжения на нагрузке, подаваемого с рассматриваемого источника постоянного тока.

Простое токовое зеркало обладает следующим недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т.е. выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистораQ₂напряжение базыслегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией (Рис. 2 .36). Практически ток может изменяться приблизительно на 25% в диапазоне устойчивой работы схемы.

Рис. 2.36 График зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером

Для решения данной проблемы была использованная схема токового зеркала Уилсона (Рис. 2 .37), которая обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока.

Рис. 2.37Схема токового зеркала Уилсона

Транзисторы VТ1 и VТ2 включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору VТ3 потенциал коллектора транзистора VТ1 фиксирован и на удвоенное значение падения напряжения на диоде ниже, чем напряжение питания. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе VТ1, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором VТ2. Транзистор VТ3 не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора VТ1. В результате в токозадающих транзисторах VТ1 и VТ2 падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор VТ3 можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным[CITATION ПХо98 \l 1049 ].

Исходя из параметров выбранного лазерного диода (таблица 2.3) с применением схемы токового зеркала Уилсона, разработана электрическая принципиальная схема передатчика (Рис. 2 .38).

Рис. 2.38Электрическая принципиальная схема передатчика

Элемент схемы U₁ является стабилизатором напряжения с выходным параметром 5 В и обеспечивает стабильное напряжение питания схемы, даже при условии постепенного снижения напряжения источника питания при разрядке. Так как U₁ является импульсным стабилизатором напряжения, конденсатор С₁ используется для сглаживания пульсаций. Конденсатор С₂ обеспечивает разделение цепей постоянного тока передатчика ВОИТ и переменных цепей источника сигнала, а так же влияет на амплитуду входящего сигнала на низких частотах, для обеспечения нижней границы полосы пропускания 50 Гц был выбран электролитический конденсатор емкостью 210 мкФ. На Рис. 2 .39представлено изменение емкостного сопротивления в зависимости от частоты.

Рис. 2.39 График зависимости емкостного сопротивления XС2 от частоты

Как видно из графика на частоте 50 Гц, значение емкостного сопротивления X_С2=1,516 Ом, что практически не оказывает влияния на амплитуду входного сигнала.

Сопротивление R₁, R₂, R₄ и транзисторы Q₁, Q₂, Q₃ образуют токовое зеркало Уилсона. Частотные характеристики транзисторов Q₁, Q₂, Q₃ оказывают влияние на верхнюю границу полосы пропускания, для обеспечения заданной частоты 1 МГц, был выбран высокочастотный транзистор BC547B с полосой пропускания сигнала до 300 МГц.

Так как рабочее напряжение лазерного диода 1,1 В (таблица 2.3), а рабочая областьU_R располагается на небольшом линейном участке вольтамперной характеристики (Рис. 2 .40), то амплитудное значение входного сигнала может изменяться в диапазоне ±0,2 В для передачи гармонических сигналов. При необходимости передачи импульсного сигнала в однополярном режиме схема приемника может быть доработана и диапазон входного напряжения будет равен от 0 до +0,4 В.

Рис. 2.40 Вольтамперная характеристика лазерного диода

В результате расчета параметров схемы передатчика было определено его входное сопротивление равное 5 кОм и порог чувствительности входного сигнала равный 0,01 В.

Технические характеристики передатчика волоконно-оптического измерительного тракта:

Входной диапазон (амплитудное значение) –±0,2 В;

Рабочая длинна волны 1310 нм;

Полоса пропускания от 50 Гц до 1 МГц;

Потребляемая мощность – 3 мВт;

Источник питания – постоянный 9 В;

Входное сопротивление – 5 кОм;

Чувствительность – 0,01 В.