Общие сведения и классификация усилителей

1. Классификация усилителей.

2. Основные характеристики усилителей.

3. Электромеханические и магнитные усилители.

4. Электронные усилители.

5. Гидравлические и пневматические усилители.

1. В автоматике выходной сигнал датчика используется для приведения в действие исполнительного устройства автоматической системы. Однако очень часто мощность выходного сигнала датчика недостаточна, и поэтому ее необходимо усиливать.

Усиление сигнала осуществляется устройством, называемым усилителем, путем изменения потока вспомогательной энергии, поступающей от источника к измерительному прибору или исполнительному механизму в соответствии со знаком, амплитудой сигнала. В некоторых случаях одновременно с усилением сигнала происходит его качественное преобразование. В связи с этим усилители можно разделить на четыре группы (рис. 2.4.1).

Усилители

по виду преобразования сигнала

С механическим перемещением на входе и выходе

С электрическим перемещением на входе и выходе

С механическим перемещением на входе и пневматическим (гидравлическим) сигналом на выходе

С механическим перемещением на входе и электрическим сигналом на выходе

По виду вспомогательной энергии

Пневматические

Гидравлические

Электрические

Комбинированные

Рисунок 1.4.1

Элементы, усиливающие механические перемещения, выполняют в виде рычажных устройств, механических регуляторов или механических и гидравлических муфт. Они имеют относительно небольшой коэффициент усиления.

Усилители электрических сигналов выполняются в виде электромеханических (реле), электромашинных, магнитных и электронных устройств.

Усилители, имеющие механическое перемещение на входе и пневматический или гидравлический сигнал в виде изменения давления на выходе, представляет собой вентиль, золотник или устройство типа сопло-заслонка (дроссельная заслонка).

Усилители, имеющие механическое перемещение на входе и электрический сигнал на выходе, представляют собой переменный резистор, автотрансформатор или замыкающиеся и размыкающиеся контакты реле.

В зависимости от вида применяемой вспомогательной энергии различают пневматические, гидравлические, электрические (электромеханические, магнитные), диэлектрические, электронные (полупроводниковые) и комбинированные усилители. В системах автоматики наибольшее распространение получили электрические усилители.

2. К основным характеристикам усилителей относятся: выходная мощность, коэффициент усиления, статическая характеристика, быстродействие (значение постоянной времени), входное и выходное сопротивления усилителя.

Выходная мощность усилителя определяется потребной мощностью исполнительного механизма и изменяется в весьма широких пределах (от долей ватт до десятков киловатт).

Коэффициент усиления является одной из основных характеристик усилителя. В электрических усилителях различают коэффициент усиления по напряжению, току мощности.

Коэффициент усиления по напряжению К_н называется отношение напряжения выходного сигнала U_вых к входному U_вх, т.е

К_н = U_вых/U_вх.

Коэффициент усиления по току К_т определяет отношение тока выходного сигнала I_вых к входному I_вх усилителя, т.е.

К_т = I_вых/I_вх.

Коэффициент усиления по мощности К_м характеризует отношение выходной мощности Р_вых к мощности на входе Р_вх, т.е.

К_м = Р_вых/Р_вх.

Статическая характеристика усилителя отражает зависимость между входной и выходной величинами в установившемся режиме и может быть линейной и нелинейной. Наиболее предпочтительна линейная характеристика.

Быстродействие усилителей оценивается по их динамическим характеристикам (временным и частотным). Усилители магнитные, электромашинные, гидравлические и пневматические имеют меньшее быстродействие, чем электронные и полупроводниковые усилители.

Входное и выходное сопротивления имеют место только для электрических усилителей. Эти сопротивления необходимо учитывать при согласовании усилителей с предыдущими и последующими элементами автоматических систем. Усилители с низким входным сопротивлением нельзя использовать, например, для усиления сигналов емкостных датчиков, фотоэлементов, имеющих большое выходное сопротивление.

3. Электромеханические усилители выполняются в виде электромашинных усилителей (ЭМУ) и электромагнитных реле.

Электромашинные усилители – специальные электрические генераторы постоянного тока, выходная мощность которых регулируется путем изменения мощности управления. Конструктивно электромашинные усилители выполняются в виде установки, в корпусе которой располагается асинхронный двигатель и генератор.

ЭМУ допускают значительные форсировки по току и по напряжению, имеют малую мощность управления и хорошее быстродействие. Однако ЭМУ имеют невысокую надежность из-за наличия подвижных контактов между щетками и коллектором, создают большие помехи для работы радиоаппаратуры, имеют относительно большие размеры и массу. В связи с этим в последнее время практически не применяются.

В электромагнитных реле получаемый управляющий сигнал подают на катушку, в результате чего замыкаются контакты, способные пропускать ток большей мощности. Усилители подобного типа позволяют увеличивать энергию входного сигнала в 1000 раз, существенно упростить схему управления и повысить ее стабильность по отношению к изменениям температуры окружающей среды. Они получили широкое распространение в системах автоматического регулирования (стабилизации) температуры в термических и плавильных печей.

Магнитные усилители представляют собой электромагнитное устройство, в котором связь выхода и входа осуществляется через магнитное поле. В основу принципа его действия положена нелинейная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от напряженности постоянного подмагничивающего поля, созданного или изменяемого входным сигналом.

В целом магнитные усилители являются надежными элементами автоматики, к достоинствам которых следует отнести высокую прочность при практически неограниченном сроке службы, а также мгновенную готовность к действию. Удобно и суммирование сигналов в магнитном усилителе, для этого достаточно иметь соответствующее число входных обмоток. Магнитные усилители нечувствительны к радиоактивным излучениям. Недостатки магнитных усилителей – сравнительно большая масса и значительная инерционность, обусловленная заметным количеством энергии, запасаемой в магнитном поле дросселя.

4. К полупроводниковым усилителям относятся устройства систем автоматики, в которых используются полупроводниковые приборы (транзисторы), изготавливаемые из германия или кремния с соответствующими примесями. Транзисторы могут включаться в усилительные схемы тремя различными способами: с общей базой, с общим коллектором и общим эмиттером. Устройство и принцип действия этих усилителей вы подробно изучили в разделе "Основы промышленной электроники".

В настоящее время полупроводниковые усилители нашли широкое применение. Это объясняется тем, что срок службы транзисторов составляет несколько десятков тысяч часов, а аварийные выходы транзисторов при соответствующем температурном режиме весьма редки. Также полупроводниковые усилители имеют малые габариты, массу, малую потребляемую мощность, удобные и простые в работе и обслуживании.

5. Гидравлические и пневматические усилители применяются в системах автоматики для усиления сигналов по мощности. Принципиально схемы таких усилителей не имеют различия. Если в пневматических усилителях используется сжатый воздух, то в гидравлических – жидкость под давлением (чаще масло).

Различают три типа гидравлических усилителей: золотниковые, дроссельного типа и струйные.

В золотниковых гидравлических усилителях входной сигнал, открывая или закрывая золотник или вентиль, изменяет поступление вспомогательной энергии (масло под давлением) в исполнительный механизм.

В усилителях дроссельного типа (рис 2.4.2 а, б) выходное давление Р₂ рабочей жидкости зависит от перемещения Х дросселя 1 или заслонки 2 при постоянном давлении Р₁.

Принцип действия струйного усилителя заключается в том, что кинетическая энергия струи масла, направленная в приемное сопло, преобразуется в потенциальную энергию давления.

К преимуществам усилителей подобного типа можно отнести простоту конструкции, отсутствие повышенных требований к очистке масла и высокую эксплуатационную надежность. Основным недостатком усилителя являются неполное использование мощности потока рабочей жидкости и неизбежная её утечка.

Пневматические усилители по принципу аналогичны гидравлическим и имеют такие же преимущества и недостатки.

Гидравлические и пневматические усилители находят применение в автоматических системах регуляторов давления и расхода.

Операционные усилители (ОУ)

1. Общие сведения о ОУ.

2. Суммирующие ОУ

3. Дифференцирующие ОУ.

4. Интегрирующие ОУ

5. Регуляторы систем автоматики.

1 Операционный усилитель представляет собой электронный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления (примерно 10⁵ – 10⁶) и глубокой отрицательной обратной связью, позволяющей обеспечить стабильную работу и снизить влияние дрейфа нуля. Следует отметить, что чем выше коэффициент усиления К и меньше дрейф нуля, тем выше точность ОУ.

Для снижения влияния входного тока i_вх на работу ОУ он должен иметь большое входное сопротивление, а для возможности согласования его выходного сигнала с нагрузкой – малое выходное сопротивление. Такое распределение сопротивлений позволяет иметь уровень выходного напряжения равным нулю при U_вх = 0.

Так как каждый каскад ОУ изменяет знак усиливаемого напряжения на обратный, то обычно применяют нечетное количество каскадов. Т.е. U_вых имеет обратный знак U_вх, что позволяет строить более глубокую схему и создавать цепи обратной связи (рис. 2.4.3), стабилизирующие работу усилителя.

Для усилителя можно записать U_вых = - К×U_вх.

Uz_о

Z_о

Uz₁

Z₁

U_вх ОУ U_вых

Рисунок 2.4.3.

Основные свойства ОУ:

1) выходное напряжение ОУ равно напряжению на элементе обратной связи Z_о, взятому с обратным знаком:

U_вых » - Uz_о.

2) входное напряжение ОУ почти полностью выделяется на его входном элементе Z₁:

U_вх » Uz₁

2. Схема суммирующего ОУ для двух и более величин приведена на рисунке 2.4.4.

Ток i_о протекающий через резистор R_о, равен на основании 1 закона Кирхгофа сумме токов, протекающих через резисторы R₁, R₂, R₃ . . . R_n.

I_о = I₁ + I₂ + I₃ + . . . + I_n

В соответствии с первым и вторым свойством ОУ, можно записать:

U_вых » - U_R_о , U₁ » U_R1, U₂ » U_R2, U₃ » - U_R3.

R₁

U₁

R₂ R_о

U₂

R₃

U₃

ОУ U_вых

Рисунок 2.4.4

По закону Ома найдем выражение для токов

i _о = U_R_о /R_о = - U_вых /R_о

i₁ = U_R/R₁ = U₁/R₁

i₂ = U₂/R₂

i₃ = U₃/R₃

Получим

- U_вых /R_о = U₁/R₁ + U₂/R₂ + U₃/R₃

Отсюда

U_вых = - (U₁×R_о /R₁ + U₂ ×R_о /R₂ + U₃ × R_о /R₃)= - (К ₁ ×U₁ + К ₂ U₂ + К ₃ ×U₃)

где К₁ = R_о/ R₁ – коэффициент передачи по первому входу;

К₂ = R_о/ R₂ – коэффициент передачи по второму входу;

К₃ = R_о/ R₃ – коэффициент передачи по третьему входу.

Для суммирующего усилителя принимают R_о = R₁ = R₂ = R₃. Тогда получаем

U_вых = - ( U₁ + U₂ + U₃),

т.е. выходное напряжение равно алгебраической сумме входных напряжений, взятых с обратным знаком.

Если ОУ имеет один вход и R_о = R, то U_вых = - U_вх, т.е. усилитель только изменяет знак входного напряжения. Такой усилитель называют инвертором.

3. Для выполнения операции дифференцирования ОУ включают по схеме, представленной на рисунке 2.4.5.

R_о С_о

С R

U_вх U_вых U_вх

U_вых

Рисунок 2.4.5 Рисунок 2.4.6

Ток, проходящий через резистор R, определяется из выражения

i = ( U_вых – U_вх1) / R_о = С×[ d( U_вх1 – U_вх)/ dt].

Принимая во внимание, что напряжение U_вх1 значительно меньше напряжений U_вх и U_вых можно записать

U_вых = - R_о×С× dUвх/ dt

Следует, что выходная величина усилителя пропорциональна производной от входной величины.

4. Операция интегрирования выполняется по схеме включения операционного усилителя (рис.2.4.6). На основании первого и второго свойств операционных усилителей можем записать U_вых = - U_с и U_вх = U_R. Тогда ток i можно определить из выражения

i = U_R/ R = U_вх/ R

Этот же ток заряжает конденсатор, так как входной ток усилителя равен нулю. Напряжение на конденсаторе, а следовательно и на выходе схемы

U_вых = - U_с = - = - U_вх dt = - К_п ò U_вх dt

где К_п = - - коэффициент передачи интегрирующего усилителя.

Из выражения видно, что такой усилитель интегрирует входной сигнал.

5. В зависимости от содержания параметров усилителя z_о и z₁ можно получить различные законы регулирования. В таблице 2.4.1 представлены схемы и передаточные функции основных типов регуляторов.

Таблица 2.4.1 – Основные типы регуляторов.

Схема регулятора

Передаточная функция

Основные соотношения

Тип регулятора