Усилители

Лекция 7

Одним из основных элементов большинства автоматических систем контроля, управления и регулирования являются усилители. Необходимость применения усилителей в автоматических системах обусловлена, в частности, тем, что мощности выходного сигнала чувствительных элементов, несущих информацию об изменении производственных параметров, как правило, очень малы. Во многих случаях эта мощность равна 10^—4–10^-5 Вт. Естественно, что такой мощности недостаточно для приведения последующих элементов системы в действие.

В автоматических системах промышленности применяются электри-ческие, гидравлические и пневматические усилители. Так, они классифицируются по виду вспомогательной энергии, используемой для усиления входного сигнала. Кроме того, усилители различают по их выходной мощности (от десятков ватт до десятков киловатт), по коэффициенту усиления (от 10 до 10»), по принципу действия и конструкции.

Электрические усилители подразделяются на электронные (ламповые и полупроводниковые), тиратронные (или ионные), магнитные и электромагнитные.

Электронные усилители применяются тогда, когда требуемая выходная мощность не превышает 100–150 Вт. Большим достоинством электронных усилителей является высокая чувствительность на входе и практическая безынерционность. Это определяет их широкое применение в автоматических системах, где датчики имеют очень малую выходную мощность (измеряемую микроваттами). Электронные усилители имеют высокий коэффициент усиления, что достигается каскадным транзистором в полупроводниковых усилителях.

Различают коэффициент усиления по мощности и напряжению. Коэффициент усиления по мощности определяется как отношение мощности на выходе усилителя к мощности на его входе. Электронные усилители чаще используются как усилители напряжения. Коэффициент усиления по напряжению определяется по формуле:

. (6)

Он может достигать 10⁷, что является большим достоинством электронных усилителей.

Измерительный, или инструментальный, усилитель — это устройство с дифференциальным входом. Усилитель строится так, что он усиливает только разность напряжений, поданных на его входы (U _вх2— U _вx1). Для большинства микросхем измерительных усилителей коэффициент усиления (передачи) по напряжению K_U находится между 1 и 1000.

U _вых= K_u (U _вх1- U _вх2).

Идеальный измерительный усилитель обладает следующими характеристиками: постоянный коэффициент усиления, не зависящий от времени, частоты и амплитуды входного сигнала, сопротивления нагрузки, температуры и влажности; бесконечный коэффициент подавления синфазного напряжения и изменений напряжения питания; нулевые входное и выходное напряжения смещения и дрейфы этих смещений, а также нулевой выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, отдаваемого усилителем в нагрузку.

Обычно инструментальный усилитель служит первым каскадом измерительной или преобразовательной схемы, где основным требованием является точность. Во многих случаях входной сигнал подается на измерительный усилитель с мостовой схемы или датчика, преобразующих неэлектрическую величину в аналоговый электрический сигнал. Основные проблемы, которые приходится решать разработчику при усилении этого сигнала для обработки последующими каскадами, связаны с подавлением шумов и нестабильностью коэффициента усиления при воздействии внешних факторов.

Недостатком электронных усилителей является небольшая выходная мощность, сравнительно низкая надежность, высокая чувствительность к вибрациям.

В случае, когда требуется получить на выходе мощность, превышающую 100–150 Вт, используют тиратронные усилители, основным элементом которых является тиратрон (трехэлектродная газонаполненная лампа), питаемый переменным током. В нем в результате ионизации молекул газа (аргона, неона), происходящей в результате их столкновения с движущимися под действием потенциала анода электронами, сила тока может достичь нескольких ампер. Коэффициент усиления по мощности такого усилителя равен 10⁶, а выходная мощность достигает 2–3 кВт.

Схемы электронных и тиратронных усилителей подробно были рассмотрены при изучении курса «Электротехника и электроника».

Широкое применение в схемах автоматики находят магнитные усилители (МУ). Они просты по конструкции и надежны в эксплуатации. На рисунке 15а показана схема простейшего дроссельного однофазного магнитного усилителя.

Принцип действия такого усилителя мощности основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от силы подмагничивающего постоянного тока. Таким образом, входной величиной магнитного усилителя является ток силой i _y, протекающий по обмотке подмагничивания W ₁, а выходной – переменный ток силой I _н в нагрузке R _н и обмотках W ₂ и W ₃.

Обмотки переменного тока W ₂ и W ₃ намотаны так, что направления магнитных потоков Ф во внутренних сердечниках противоположны. Благодаря этому ЭДС, индуктированные в обмотке, взаимно компенсируются.

Сила тока нагрузки I_н определяется по формуле:

(7)

где U — напряжение цепи переменного тока; R — активное сопротивление цепи переменного тока, равное сумме активных сопротивлений обмоток W ₂ и W ₃ и нагрузки R _н; L — сумма реактивных сопротивлений обмоток W ₂ и W _3.

Рис. 15. Дроссельный магнитный усилитель

С увеличением силы тока i_y, уменьшается динамическая магнитная проницаемость μ, что приводит к уменьшению L =f (μ). В результате сила тока I _н возрастает. Зависимость силы тока I _н от силы постоянного тока i _y приведена на рисунке 15б.

Чтобы обеспечить работу магнитного усилителя на линейном и наиболее крутом участке характеристики I _н =f (i _y), вводят дополнительно вспомогательную обмотку постоянного подмагничивания, через которую протекает постоянный ток силой i_o. В этом случае сила тока i_y в обмотке управления W ₁ изменяется в пределах ± Δ i _y, а точка М является рабочей точкой характеристики I _н =f (i _y).

Коэффициент усиления магнитного усилителя по мощности можно определить по формуле:

При малой мощности на входе Р _у можно получить значительное увеличение мощности Р _н на выходе. Коэффициент усиления по мощности некоторых магнитных усилителей может достигать величины 10⁴ и более.

К недостаткам магнитных усилителей относятся: сложность получения большого входного сопротивления, чувствительность к изменению температуры среды, большие габариты и масса, большая, чем у электронных усилителей, инерционность.

В тех случаях, когда на выходе требуется получить значительную мощность постоянного тока, которую трудно обеспечить электронными или магнитными усилителями, используются электромашинные усилители (ЭМУ). Чаще всего такие усилители применяют в схемах управления электродвигателем постоянного тока, когда требуется плавное изменение частоты вращения.

На рисунке 16 показана схема простейшего электромашинного усилителя с независимым возбуждением. Он состоит из вспомогательного электродвигателя 1 и генератора 2 с обмоткой возбуждения 3. К генератору подключен электродвигатель постоянного тока 4.

Рис. 16. Электромашинный усилитель

Входной величиной электромашинного усилителя в данном случае является управляющее напряжение U _y на зажимах обмотки возбуждения 3, а выходной — напряжение U ₁. При U = const угловая скорость w ₂ электродвигателя 4 будет пропорциональна напряжению U ₁ на зажимах якоря.

Так как при постоянной величине угловой скорости w ₁, выходное напряжение генератора U ₁ пропорционально магнитному потоку Ф₁ обмотки возбуждения 3, то, изменяя напряжение U _y, можно управлять выходным напряжением U _y генератора и угловой скоростью w ₂ электродвигателя.

Коэффициент усиления по мощности определяется по формуле

где i _як и i _y — сила тока соответственно на выходе и входе электромашинного усилителя. Для усилителя рассмотренного типа k _p= 20–100.

Наряду с описанным простейшим усилителей в системе управления широко применяют более совершенные усилители с поперечным полем (рис. 17). Здесь, так же как и в предыдущем случае, усилитель представляет собой генератор постоянного тока, вращаемый вспомогательным электродвигателем. Однако в данном случае магнитная система генератора отличается от обычной увеличенной шириной полюсов, а схема включения якоря — наличием двух пар щеток, расположенных под углом 90^о одна к другой (вместо одной пары в обычных генераторах).

Рис. 17. Электромашинный усилитель с поперечным полем

На полюсах генератора располагаются витки управляющей обмотки W _y, в которую подается управляющий ток I _у — входная величина электромашинного усилителя. В результате действия магнитодвижущей силы (МДС) I _y W _y по продольной оси создается поток Ф d. В поперечной цепи якоря под действием этого потока наводится ЭДС поперечной цепи. Поперечная пара щеток Щ₁ и Щ ₂ замкнута накоротко. Таким образом, даже небольшая ЭДС вызывает появление в поперечной цепи значительного по силе тока. Этот ток, протекая по проводникам якоря, создает мощный поперечный магнитный поток Ф q, который замыкается через широкие края полюсных башмаков. В продольной цепи якоря, вращающегося в созданном им самим поперечном поле, наводится ЭДС продольной цепи, снимаемая со щеток Щ₃ и Щ₄ продольной цепи на нагрузку.

Эффект усиления обусловлен тем, что поперечный поток Ф q оказывается значительно большим, чем вызвавший его продольный поток Ф d.

В усилителях с поперечным полем на главных полюсах располагается компенсационная обмотка W _к, которая компенсирует размагничивающее действие тока нагрузки I _н.

Коэффициент усиления по мощности усилителей с поперечным полем составляет около 3∙10³, а их мощность может быть от десятков ватт до десятков киловатт. Для уменьшения габарита и массы электромашинный усилитель и вспомогательный двигатель конструктивно объединяются в одном агрегате.

Гидравлические и пневматические усилители, используемые в системах автоматики для усиления сигналов по мощности, аналогичны по своей конструкции и принципу действия. Их можно разделить на две основные группы — дроссельные и струйные.

В качестве примера дроссельного усилителя можно назвать усилитель типа сопло—заслонка, схема которого приведена на рисунке 18. Сжатый воздух с давлением p_l дросселируется до давления р₂ с помощью двух дросселей 1 и 2. В результате перемещения заслонки 3 относительно сопла меняется воздушный зазор h, а следовательно, и пневмосопротивление. В полости между дросселями устанавливается давление р ₂, которое действует в данном случае на поршень 6 исполнительного элемента. Поршень будет перемещаться в цилиндре 4 до тех пор, пока не наступит равновесие между силой, с которой сжатый воздух давит на поршень, и упругими силами пружины 5. При этом усилие, развиваемое вдоль штока поршня, значительно превышает усилие, вырабатываемое датчиком и необходимое для перемещения заслонки. Коэффициент усиления по мощности некоторых пневматических дроссельных усилителей достигает 10⁵—10⁷.

Схема, поясняющая принцип действия струйного гидравлического усилителя, приведена на рисунке 19.

Рис. 18. Усилитель типа сопло—заслонка	Рис. 19. Струйный усилитель

Основным элементом струйного усилителя является струйная трубка 3 с противовесом 1. Насосная установка подает масло через маслопровод 6 в струйную трубку. Перед соплом струйной трубки размещена плита 4 с приемными соплами. Усилием от датчика, приложенным к упору 2, трубка поворачивается вокруг оси 5. Если сопло струйной трубки расположено посередине между приемными соплами, то давление в них одинаково и разность давлений р₁—p₂, действующая на поршень исполнительного элемента, равна нулю. При отклонении струйной трубки от среднего положения давление в одном из приемных сопел возрастет, а в другом упадет. Знак разности р₁—р₂ зависит от направления отклонения трубки.

Для перемещения сопла струйной трубки из одного крайнего положения в другое (обычно 1—2 мм) необходимо усилие около 10^-1 Н. При этом на штоке поршня усилие меняется на 10³ Н. Коэффициент усиления по мощности усилителей такого типа достигает 10⁴.

Гидравлические и пневматические усилители, выпускаемые серийно, могут быть однокаскадными и двухкаскадными. В последнее время в автоматических системах регулирования начали применять пневмогидравлические усилители, у которых первым каскадом усиления является пневматический элемент, а вторым — гидравлический.

Дата добавления: 2014-01-04