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 Кн называется отношение напряжения выходного сигнала Uвых к входному Uвх, т.е
Кн = Uвых/Uвх.
Коэффициент усиления по току Кт определяет отношение тока выходного сигнала Iвых к входному Iвх усилителя, т.е.
Кт = Iвых/Iвх.
Коэффициент усиления по мощности Км характеризует отношение выходной мощности Рвых к мощности на входе Рвх, т.е.
Км = Рвых/Рвх.
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 iвх 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 Uвх = 0.
Так как каждый каскад ОУ изменяет знак усиливаемого напряжения на обратный, то обычно применяют нечетное количество каскадов. Т.е. Uвых имеет обратный знак Uвх, что позволяет строить более глубокую схему и создавать цепи обратной связи (рис. 2.4.3), стабилизирующие работу усилителя.
Для усилителя можно записать Uвых = - К×Uвх.
Uzо
Zо
Uz1
Z1
Uвх ОУ Uвых
Рисунок 2.4.3.
Основные свойства ОУ:
1) выходное напряжение ОУ равно напряжению на элементе обратной связи Zо, взятому с обратным знаком:
Uвых » - Uzо.
2) входное напряжение ОУ почти полностью выделяется на его входном элементе Z1:
Uвх » Uz1
2. Схема суммирующего ОУ для двух и более величин приведена на рисунке 2.4.4.
Ток iо протекающий через резистор Rо, равен на основании 1 закона Кирхгофа сумме токов, протекающих через резисторы R1, R2, R3 . . . Rn.
Iо = I1 + I2 + I3 + . . . + In
В соответствии с первым и вторым свойством ОУ, можно записать:
Uвых » - URо , U1 » UR1, U2 » UR2, U3 » - UR3.
R1
U1
R2 Rо
U2
R3
U3
ОУ Uвых
Рисунок 2.4.4
По закону Ома найдем выражение для токов
i о = URо /Rо = - Uвых /Rо
i1 = UR /R1 = U1/R1
i2 = U2/R2
i3 = U3/R3
Получим
- Uвых /Rо = U1/R1 + U2/R2 + U3/R3
Отсюда
Uвых = - (U1×Rо /R1 + U2 ×Rо /R2 + U3 × Rо /R3)= - (К 1 ×U1 + К 2 U2 + К 3 ×U3)
где К1 = Rо/ R1 – коэффициент передачи по первому входу;
К2 = Rо/ R2 – коэффициент передачи по второму входу;
К3 = Rо/ R3 – коэффициент передачи по третьему входу.
Для суммирующего усилителя принимают Rо = R1 = R2 = R3. Тогда получаем
Uвых = - ( U1 + U2 + U3),
т.е. выходное напряжение равно алгебраической сумме входных напряжений, взятых с обратным знаком.
Если ОУ имеет один вход и Rо = R, то Uвых = - Uвх, 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.
Rо Со
С R
Uвх Uвых Uвх
Uвых
Рисунок 2.4.5 Рисунок 2.4.6
Ток, проходящий через резистор R, определяется из выражения
i = ( Uвых – Uвх1) / Rо = С×[ d( Uвх1 – Uвх)/ dt].
Принимая во внимание, что напряжение Uвх1 значительно меньше напряжений Uвх и Uвых можно записать
Uвых = - Rо×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 Uвых = - Uс и Uвх = UR. Тогда ток i можно определить из выражения
i = UR/ R = Uвх/ R
Этот же ток заряжает конденсатор, так как входной ток усилителя равен нулю. Напряжение на конденсаторе, а следовательно и на выходе схемы
Uвых = - Uс = - = - Uвх dt = - Кп ò Uвх dt
где Кп = - - коэффициент передачи интегрирующего усилителя.
Из выражения видно, что такой усилитель интегрирует входной сигнал.
5. В зависимости от содержания параметров усилителя zо 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 | ||||||||
Rо R1 Uвх Uвых | К | К = Rо/ R1 | П- пропорци-ональный | ||||||||
Со R1 Uвх Uвых | 1 Т | Т = R1×С | И- интегральный | ||||||||
Со Rо R1 | 1 + То р К×------------- То р | То = Rо×С К = Rо / R1 | ИП – интегрально-пропорциональный | ||||||||
С1 Со Rо
R1 | (1+То р)×(1+Т1 р) К-------------------- То×р | Т1 = R1×С1 То = Rо×Со К = Rо / R1 | ИПД – интегрально-дифференциально-пропорциональный |
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1647; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!