Тема 2. 2. Усилительные элементы ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ Выходные сигналы первичных преобразователей и сигналы рассогласования регуляторов в большинстве случаев обладают небольшой мощностью и не могут быть непосредственно измерены или привести в действие исполнительный механизм. Поэтому сигнал усиливают до значения, которое позволяет либо ее измерить (в системах контроля), либо приводить в действие исполнительный механизм (в системах регулирования).
Рис. 9. Классификация усилителей
Усиление сигнала осуществляется устройством, называемым усилителем, путем изменения потока вспомогательной энергии, поступающей от источника к измерительному прибору или исполнительному механизму в соответствии со знаком и амплитудой сигнала. В некоторых случаях одновременно с усилением сигнала происходит его качественное преобразование. В связи с этим усилители можно разделить на четыре группы (рис. 9): с механическим перемещением на входе и выходе; с электрическим сигналом на входе и выходе; с механическим перемещением на входе и пневматическим или гидравлическим сигналом в виде изменения давления на выходе; с механическим перемещением на входе и электрическим сигналом на выходе.
В зависимости от вида применяемой вспомогательной энергии различают пневматические, гидравлические, электрические (электромехани ческие, магнитные), диэлектрические, электронные (полупроводниковые и тиристорные) и комбинированные усилители. В системах автоматики наибольшее распространение получили электрические усилители. К основным характеристикам усилителей относятся выходная мощность, коэффициент усиления и форма статической характеристики. 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 коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициентом усиления по напряжению Kн называют отношение напряжения выходного сигнала Uвых к входному Uвх. Коэффициент усиления по мощности Kм характеризует отношение выходной мощности Рвых к мощности на входе Рвх. Коэффициент усиления по току Kт определяет отношение тока выходного сигнала Iвых к входному току Iвх усилителя. .
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ К электронным ламповым и полупроводниковым усилителям относятся устройства систем автоматики, в которых используются многоэлектродные лампы или полупроводниковые приборы, значение активного сопротивления которых зависит от интенсивности или полярности электрического поля. Элемент усилителя, состоящий из электронной лампы или полупроводника с резисторами и конденсаторами, называют усилительным каскадом. Если для усиления входного сигнала одного каскада недостаточно, то применяют последовательное соединение нескольких каскадов. Различают однокаскадные и многокаскадные усилители.
Схема простейшего однокаскадного усилителя на электронной лампе показана на рис. 10, а. Входной сигнал Uвх подается на сетку электронной лампы V, в анодную цепь которой включен резистор (нагрузка) Rа=Rн. При изменении значения Uвх будет меняться значение анодного тока Iа, а следовательно, и значение выходного напряжения Uвых, равного падению напряжения на нагрузочном (анодном), резисторе Rн от протекания анодного тока. В этом и заключается усилительный эффект. Резистор R 1 служит для ограничения сеточных токов. Резистор R 2 введен для стабилизации выходного сопротивления усилителя.
Рис. 10. Схемы электрон ных усилителей: а — электровакуумных по стоянного тока; б — переменного тока; в — полупроводнико вых с общей базой; г — с общим коллектором; д — с общим эмиттером
Схема простейшего усилителя переменного тока с трансформаторным выходом (рис. 10, б) отличается от схемы усилителя постоянного тока только тем, что нагрузочный резистор Rн не является одновременно анодным резистором Rа, а включен в анодную цепь через трансформатор, благодаря чему выходное напряжение Uвых содержит лишь переменную составляющую. Достоинства ламповых усилителей: ничтожно малая входная мощность и незначительная инерционность. Недостатком электронных ламповых усилителей являются низкий КПД и небольшая выходная мощность, а также ограниченные надежность и срок службы. Предельная выходная мощность не превышает 100 Вт.
Для построения полупроводниковых усилителей в качестве управляющих устройств используют полупроводниковые триоды (транзисторы), изготовляемые из германия или кремния с соответствующими примесями. Транзисторы могут включаться в усилительные схемы тремя различными способами: с обшей базой, с общим коллектором и общим эмиттером.
Схема полупроводникового усилителя с общей базой (рис. 10, в) соответствует редко применяемой в автоматике схеме электронного усилителя с общей сеткой. В этих усилителях электрод базы является общим для входной и выходной цепей. Выходное напряжение находится в фазе с входным. Коэффициент усиления по току меньше единицы, а по напряжению много больше единицы. Усилители, построенные по такому принципу, используют в качестве входного каскада по отношению к преобразователю с низким выходным сопротивлением.
В полупроводниковом усилителе с общим коллектором (рис. 10, г) коэффициент усиления по току на много больше единицы, а по напряжению — меньше единицы. Резисторы R 1 и R 2 составляют делитель напряжения, с которого снимается напряжение смещения. Усилители, построенные по такой схеме, применяют в качестве первого каскада усиления для согласования включения преобразователя с высокоомным выходом или в качестве выходного каскада при работе с низкоомной нагрузкой.
Схема с общим эмиттером (рис. 10, д) соответствует наиболее распространенной схеме электронного усилителя с общим катодом. В схеме резистор Rн является нагрузочным в цепи коллектора, а резисторы R 1 и R 2 образуют делитель напряжения, с которого снимается напряжение смещения. Схема с общим эмиттером получила наибольшее практическое применение. Она обеспечивает высокий коэффициент усиления по мощности и току и имеет сравнительно большое входное сопротивление.
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ Электромеханические усилители выполняют в виде электромашинных усилителей (ЭМУ) или электромагнитных реле. Электромашинные усилители — специальные электрические генераторы постоянного тока, выходная мощность которых регулируется путем изменения мощности управления. Конструктивно электромашинные усилители выполняют в виде установки, в корпусе которой располагаются асинхронный электродвигатель и генератор.
Электромашинные усилители допускают значительные форсировки по току и по напряжению, имеют малую мощность управления и хорошее быстродействие. Однако электромашинные усилители 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 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 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. Магнитные усилители подразделяют на простые и с самонасыщением. У первых по рабочий обмоткам протекает только переменный ток, а в усилителях второй группы по рабочим обмоткам протекает ток, содержащий постоянную составляющую.
Простейший магнитный усилитель — усилитель дроссельного типа (рис. 11, а). Он представляет собой катушку индуктивности 1 с ферромагнитным магнитопроводом 2 и дополнительной управляющей обмоткой 3. Нагрузка усилителя Rн включена последовательно с рабочей обмоткой, питание которой осуществляется переменным током U 0. При изменении входного напряжения Uвх будет изменяться подмагничивающее постоянное поле и магнитная проницаемость μ ферромагнитного магнитопровода, а следовательно, и индуктивность рабочей обмотки. В результате будет меняться ток выходной цепи.
Рис. 11. Схемы магнитных уси лителей дроссельного типа: а— простейшего; б — на двух магнитопроводах; в — на одном Ш образном магнитопроводе
Таким образом, устройство магнитных усилителей основано на использовании непостоянства магнитной проницаемости ферромагнетика, т. е. нелинейности индуктивного сопротивления дросселя. Входное напряжение Uвх может меняться не только по амплитуде, но и по знаку. Необходимо лишь, чтобы частота входного напряжения была значительно (в 5— 10 раз) меньше частоты источника питания U 0. Тогда интенсивность входного сигнала будет определять, амплитуду тока в цепи нагрузки и изменение входного сигнала во времени будет соответствовать изменению огибающих этих амплитуд. Таким образом, магнитный усилитель одновременно является модулятором, преобразующим сколь угодно медленно меняющееся напряжение на входе в изменения огибающих выходного напряжения.
Рассмотренная простейшая схема дроссельного магнитного усилителя практически не применяется, так как переменный ток, протекающий по рабочей обмотке, наводит ЭДС в управляющей обмотке. Наведенный ток попадает в цепь датчика сигнала и искажает его характеристику. Отмеченный недостаток устраняется, если применить схему (рис. 11, б) с двумя магнитно не связанными между собой дросселями, обмотки которых соединены так, как показано на рисунке. Если входная обмотка 3 намагничивает оба магнитопровода в одном направлении, то выходная обмотка — в разных. Благо даря этому взаимно компенсируются ЭДС, наведенные во входных обмотках.
Трехстержневая схема магнитопровода приведена на рис. 11, в. В этом случае во входной обмотке также не будет наводиться ЭДС трансформации, так как соответствующие составляющие переменного потока взаимно уничтожаются и будут отсутствовать в среднем стержне. Рассмотренная схема находит применение благодаря удобству изготовления и возможности размещения большого числа витков. С повышением частоты источника питания размеры магнитных усилителей уменьшаются, но одновременно растут потери в ферромагнетике и увеличивается магнитный поверхностный эффект.
В целом магнитные усилители являются надежными элементами автоматики, к достоинствам которых следует отнести высокую прочность при практически неограниченном сроке службы, а также в отличие от электронных ламповых усилителей 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.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ 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 гидравлическом усилителе — 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 (масла под давлением) в исполнительный механизм.
В усилителях дроссельного типа (рис. 12, а, б) выходное давление Р 2 рабочей жидкости зависит от перемещения X дросселя 1 или заслонки 2 при постоянном давлении Р 1. Рис. 12. Схемы пневматических усилителей дроссельного типа: а — с дросселем: б — с сопло заслонкой
Принцип работы струйного усилителя (рис. 13) заключается в том, что кинетическая энергия струи масла, направленная в приемное сопло, преобразуется в потенциальную энергию давле ния. Давление в сопле зависит от положения трубки. В кор пусе 1 усилителя расположена струйная трубка 2 с сопловой насадкой 6. С одной стороны трубка связана с толкателем преобразователя 7, а с другой — с пружиной задатчика 4. Сжатие пружины регулируется винтом 3. Струйная трубка сообщается каналом 9 с масляным насосом и может поворачиваться на некоторый угол вокруг оси 0. Расширяющиеся сопла 5 соединены трубопроводами с обеими полостями цилиндра двойного действия исполнительного механизма. Трубка 8 предназначена для слива масла в бак, где установлен насос.
Если регулируемый параметр соответствует заданному значению, то трубка находится в нейтральном положении и струя рабочей жидкости одинаково перекрывает оба приемных сопла. В полостях цилиндра создается одинаковое давление и поршень исполнительного механизма не перемещается. При отклонении регулируемого параметра от заданного значения, т. е. при появлении разности усилий со стороны задатчика и чувствительного элемента, струйная трубка поворачивается в сторону одного из приемных сопел, в котором давление возрастает, что и вызывает перемещение поршня.
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 ее 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.
Скачать презентацию Тема 2 2 Усилительные элементы ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И
Тема 2.2_Измерительные элементы.pptx