2. Усилительные устройства автоматики

В автоматике ши­роко применяются специальные устрой­ства – усилители, способные в десятки и сотни раз увеличивать мощность сиг­нала, поступающего с выхода датчика. Необходимость применения усилителя объясняется тем, что выходной сигнал датчика обычно очень слаб и недостато­чен для управления исполнительными механизмами.

Основными характеристиками уси­лителя являются его рабочая характери­стика и коэффициент усиления.

Рабочая характеристика усилителя представляет собой зависимость между выходной и входной величинами при установившемся режиме

. (12)

Коэффициент усиления, например, для электрических усилителей показывает во сколько раз мощность, ток или напряжение на выходе усилителя больше мощ­ности, тока или напряжения на его входе. Различают коэффициенты усиления по мощности Кр, по току KI и по напряжению КU, которые соответственно равны:

; (13)

; (14)

. (15)

Мощность, потребляемая от вспомогательного источника энергии, выходная мощность и КПД определяют энергетические свойства усилителя [2, 3].

Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными, которые собирают из отдельных каскадов для получения необходимой выходной мощности сигнала.

Быстродействие усилителей оценивается по их динамическим характеристикам (временным или частотным). Усилители магнитные, электромашинные, гидравлические и пневматические имеют меньшее быстродействие, чем электронные и полупроводниковые усилители. Например, значение постоянной времени электронного усилителя равно 10^-6…10^-10 с, а пневматического усилителя 1…10^-1 с.

В зависимости от средств передачи энергии усилители подразделяются на механические, гидравлические, пневматические, электрические, магнитные, электpoмагнитные и комбинированные. В авто­матике наибольшее распространение полу­чили рассмотренные ниже усилители, ис­пользующие в качестве внешнего источника электрическую энергию и усиливающие сигнал по напряжению или мощности либо по напряжению и мощности одновремен­но. При этом иногда одновременно с усилением сигнала происходит преобразование переменного тока в постоянный или наоборот.

Чаще всего применяются электрические усилители, которые можно разделить на две большие подгруппы: усилители, не содержащие подвижных частей (электронные, полупроводниковые, тиратронные, магнитные), и усилители, содержащие подвижные части (электромашинные).

Электронные полупроводниковые уси­лители. К наиболее распространенным усилителям относятся усилители на элект­ронных лампах, полупроводниковых при­борах (транзисторах) и на интегральных микросхемах. В усилителях на электрон­ных лампах основными элементами явля­ются трехэлектронные или более сложные электронные лампы. Бурное развитие полупроводниковой техники вызвало ши­рокое применение усилителей на полупро­водниковых приборах, которые более надежны и компактны по сравнению с электронными лампами. Для построения полупроводниковых усилителей исполь­зуют полупроводниковые триоды (тран­зисторы).

Транзисторы - это трехэлект­родные полупроводниковые приборы. Они могут быть плоскостными и точечными. Широкое применение получили плоскост­ные транзисторы. В простейшем виде транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя чередующимися областями разной электропроводности, образующими два перехода. Две крайние области обладают проводимостью одного типа, средняя – проводимостью другого типа. Если в крайних областях преоблада­ет дырочная проводимость, а в средней – электронная, то такой прибор называют транзистором р – n – р (рис. 16, а) типа. У транзистора n – p – n типа, на­оборот, по краям расположены области с электронной проводимостью, а между ними – область с дырочной проводи­мостью.

Рис. 16. Схема транзистора (а) и усилителя на транзисторе (б):К – коллектор;Б– база;

Э– эмиттер.

Простейший усилитель на транзисторе VT (рис. 16, б) работает следующим образом. Коллектор и база транзистора типа р – n – р должны иметь отрицатель­ный потенциал по отношению к эмиттеру. Источник тока G, положительный полюс которого соединен с эмиттером, создает в нем избыточные положительные заряды – ­«дырки», которые через эмиттерный пере­ход устремляются в базу. Небольшая часть «дырок» рекомбинирует (воссоединяется) с электронами в объеме базы, а большая часть проходит через коллекторный переход и коллектор к отрицательному полюсу источника питания. Ток базы всегда в десятки, иногда в сотни раз меньше тока коллектора. При этом изменение тока базы вызывает изменение тока коллектора на значительно большую величину. В данном конкретном случае ток базы транзистора можно изменять подбором резисторов R_б. Поэтому если на выводы базы и эмиттера подать электри­ческий сигнал в виде переменного напря­жения, то переменная составляющая тока коллектора будет во много раз больше переменной составляющей тока базы. Этим и определяется использование тран­зистора для усиления сигналов и генери­рования электрических колебаний. Сиг­нал, который надо усилить (входной), по­дают в цепь база-эмиттер через кон­денсатор, который пропускает только переменную составляющую входного сиг­нала. Усиленный сигнал (выходной) сни­мают с нагрузочного резистора R_к, вклю­ченного между коллектором и источни­ком питания.

Если полярность напряжения между базой и эмиттером изменить на об­ратную, то эмиттерный переход окажет­ся обратно смещенным и через него пойдет обратный ток, величина которого мало зависит от напряжения между этими электродами транзистора. В результате количество носителей тока, поступающих из эмиттера в базу, будет настолько мало, что ток коллектора почти полностью прекратится – транзистор окажется за­крытым.

Наиболее часто транзистор включа­ют по схеме с общим эмиттером (ОЭ) (см. рис. 16, б). В этом случае вход­ной сигнал вводится в цепь база-эмит­тер, а усиленный выходной сигнал получается на нагрузке R_к . При таком включении транзистора эмиттер являет­ся общим электродом, так как через не­го текут токи входного и выходного сигналов.

Усилители на полупроводниковых при­борах, так же как и усилители на электронных лампах, собирают из отдельных каскадов для получения достаточного усиления сигнала (многокаскадные уси­лители). Они легки, компактны, экономич­ны, сразу после включения готовы к работе и поэтому находят широкое приме­нение в малогабаритной аппаратуре и устройствах автоматики.

В автоматических электронных по­тенциометрах, самобалансирующих мо­стах и подобных им приборах, в основу которых положена непрерывная автомати­ческая балансировка измерительной схе­мы, применяются транзисторные фазочувствительные усилители (усилители – демодуляторы). Одним из важ­нейших свойств фазочувствительных уси­лителей является реагирование на изменение фазы входного сигнала, т. е. получение на выходе сигнала обратной полярности. Таким образом, схемы усилителей данно­го типа реверсивны. Преобразование вход­ного сигнала сопровождается одновремен­но усилением его по мощности. Фазочув­ствительные усилители используют в та­ких схемах автоматики, где необходимо осуществлять движение исполнительного механизма в направлении, зависящем от фазы управляющего сигнала.

Схемы фазочувствительных транзи­сторных усилителей по существу пред­ставляют собой управляемые усилите­ли – выпрямители или усилители средне­го значения тока, в которых транзистор выполняет роль вентиля с управляе­мым сопротивлением. Нагрузкой фазо­чувствительного усилителя наиболее ча­сто является обмотка управляемого реверсивного электродвигателя или элект­ромагнитного механизма.

На рис. 17, а, приведена схема одно­полупериодного фазочувствительного кас­када, предназначенного для работы на дифференцированную нагрузку. В схеме ис­пользованы один транзистор и два диода. Переменное напряжение питания U_П под­водится к схеме через трансформатор Т2, вторичная обмотка которого имеет вывод средней точки, соединенной с коллекто­ром транзистора. Напряжение сигнала подается со вторичной обмотки транс­форматора Т1.

При подаче напряжений питания и сигнала (совпадающих по фазе) в пер­вый полупериод в левом контуре схе­мы создается управляемый коллектор­ный ток, а в правом контуре – обрат­ный ток диода VD2. Во второй полупе­риод, когда во входной цепи протекает незначительный обратный ток эмиттерного перехода, в левом контуре схемы действует обратный ток диода VD1, а в правом контуре – ток, приблизительно равный начальному коллекторному току.

Следовательно, в течение полуперио­да в одном из резисторов нагрузки про­текает ток, зависящий от напряжения сигнала. При изменении фазы напряже­ния сигнала на 180° управляемый ток протекает в другом резисторе нагрузки. В этом заключается одно из важнейших свойств усилителя данного типа – реа­гировать на фазу управляющего сигна­ла. Более предпочтительными являются схемы транзисторных фазочувствитель­ных усилителей двуxполупериодного выпрямления, которые обеспечивают большое усиление по мощности при малых пульса­циях тока в нагрузке. Работа двухполупериодной схемы фазочувствительного ка­скада (рис. 17, б) не отличатся от работы однополупериодной схемы. Для повышения температурной стабильности характеристик и входного сопротивления каскада в схему может быть введена последовательная отрицательная связь пу­тем включения резисторов в эмиттерные цепи транзистора.

Рис. 17. Схемы каскада фазочувствительного усилителя: а– однополупериодного;б– двухполупериодного

Магнитные усилители. Усилители это­го вида относятся к ферромагнитным устройствам и предназначены для увеличе­ния мощности подводимых электрических сигналов за счет энергии местного источни­ка. С помощью магнитных усилителей можно осуществлять суммирование, диф­ференцирование, интегрирование и сравне­ние сигналов, стабилизацию напряжения, тока и т. д. В усилителях следящего привода их применяют в основном в оконечных и предоконечных каскадах мощного усиления.

Магнитные усилители обладают вы­соким коэффициентом полезного дей­ствия и значительными коэффициента­ми усиления по мощности и току. Они надежно работают как при нормальных условиях, так и при повышенной влаж­ности, при высокой и низкой темпера­турах, при тряске, вибрации, ударных ускорениях.

Неотъемлемой частью любого маг­нитного усилителя является ферромаг­нитный сердечник, кривая намагничивания которого имеет нелинейный харак­тер. Магнитная проницаемость ферро­магнитных материалов резко изменяет­ся при подмагничивании их постоянным током. На этом и основан принцип дей­ствия магнитных усилителей.

Схема магнитного усилителя (МУ) показана на рис. 18, а. На двух маг­нитных сердечниках А и В нанесены две обмотки переменного тока W₁ и W₃, сое­диненные последовательно. Обмотка под­магничивания W₂ охватывает стержни обоих сердечников и питается от источников постоянного тока. Число вит­ков и их направление в обмотках W₁ и W₃ выбирают таким образом, чтобы сумма их магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ была равна нулю и в обмотке W₂ не индуктировалась электродвижущая сила.

При сравнительно небольшом уве­личении напряжения постоянного тока U_ВХ магнитная проницаемость сердечни­ка резко снижается и, следовательно, понижается индуктивное сопротивление обмотки переменного тока. Увеличивается ток, проходящий через нагрузку R_Н, включенную в цепь переменного тока и, следовательно, увеличивается напряжение U_ВЫХ, снимаемое с нагрузки. Зависимость величины выходного напряжения U_ВЫХ от входного напряжения U_ВХ приведена на рис 18, б. При отсутствии подмагничивания выxодное напряжение мало. При подмагничивании выходное напряжение сильно увеличивается.

Рис. 18. Схема (а) и характеристика (б) магнитного усилителя

Коэффициент уси­ления магнитного усилителя по мощности определяют из следующего выражения

, (16)

где Р_ВЫХ – мощность в нагрузке при подмаг­ничивании усилителя, Вт; Р_ВХ – мощность, выделяющаяся в сопротивлении нaгpузки при Р₀ = 0, Вт; Р₀ – мощность подмагничивания (управления), Вт.

Коэффициент усиления магнитного усилителя по мощности зависит от ма­териала; так, при трансформаторной стали он находится в пределах 50…200, а при использовании пермаллоя возрастает до 1000. С повышением частоты тока коэф­фициент усиления магнитного усилителя значительно возрастает, и при частоте 500 Гц он доходит для магнитного усилителя на пермаллое до 2000. При применении положительной обратной связи коэффициент усиления МУ может быть значитель­но увеличен (до 3000…5000 и выше).

В схеме магнитного усилителя с по­ложитeльной обратной связью (рис. 19, а) переменный ток на выходе выпрямля­ется полупроводниковым выпрямителем В2 и поступает на обмотку W₂, которая создает дополнительное подмагничивание, усиливающее поле, созданное током в управляющей обмотке.

Рис. 19. Схема (а) и характеристика (б) магнитного усилителя с обратной связью

Характеристика усилителя с обрат­ной связью (рис. 19, б) несимметрич­на: в правой части крутизна ее больше (положительная обратная связь), а в левой части – меньше (отрицательная обратная связь).

Изменением обратной связи магнит­ный усилитель превращается в бескон­тактное реле.

Вместе с тем для ряда областей техни­ки необходимы усилительные элементы с такой характеристикой, при которой пере­менная полярность управляющего сигнала вызывает изменение полярности выходно­го напряжения или изменение фазы выход­ного напряжения на 180°. Такой характе­ристикой обладает дифференциальный магнитный усилитель. Он может быть выпол­нен путем соответствующего соединения двух простых магнитных усилителей.

Магнитные усилители обладают следующими положительными качествами: отсутствием электрической связи меж­ду цепью нагрузки и цепями управления, а также возможностью суммирова­ния на обмотках управления несколь­ких входных сигналов, не связанных электрически; простотой и надежностью конструкции; легкостью эксплуатации; постоянной готовностью к действию; отсутствием вращающихся частей и под­вижных контактов; возможностью зна­чительных перегрузок; высоким коэффициентом полезного действия. Эти до­стоинства объясняют широкое распространение магнитных усилителей. Они обеспечивают плавное регулирование ча­стоты вращения двигателей постоянного тока и строгое соблюдение необходимого режима работы для основных регулируе­мых механизмов технологических процес­сов (подвесных магнитов). Кроме того, использование магнитных усилителей дало возможность заменить контактные систе­мы двуxпозиционного автоматического регулирования более прогрессивными и работоспособными бесконтактными си­стемами автоматического регулирования. В то же время МУ неприменимы при высоких частотах и обладают большой инерционностью, что является их недо­статком, поэтому МУ применяют в тех системах автоматики, где не требуется быстродействия.

Электромaшинные усилители. Электромашинный усилитель (ЭМУ) представляет собой электрическую машину постоянного тока, в которой одна из двух пар щеток замкнута накоротко (рис. 20). ЭМУ могут иметь несколько или одну обмотку управления, которые с помощью тока возбуждения небольшой силы позволяют управлять значительной выходной мощностью.

Рис. 20. Электромашинный усилитель

При вращающемся ЭМУ от подачи возбуждения в управляющую обмотку (УО), в ней возникает магнитный поток возбуждения Ф_В, который вызывает в якоре ЭМУ э.д.с. Так как щетки поперечной оси 2 – 2 замкнуты накоротко, то под влиянием этой небольшой э.д.с. по обмотке якоря пройдет значительный ток I₂, который создаст мощный поперечный поток Ф₂.

Под действием Ф₂ в якоре ЭМУ возникает большая продольная э.д.с., снимаемая с продольных щеток 1 – 1. Если ЭМУ теперь замкнуть на какую-либо нагрузку, то по обмотке якоря пройдет ток I₁, который создаст магнитный поток реакции якоря Ф_я, размагничивающий ЭМУ.

Чтобы устранить это влияние потока Ф_я, на полосах ЭМУ наносится компенсационная обмотка КО, включенная последовательно с якорем в цепь нагрузки, магнитный поток которой Ф_к будет компенсировать влияние магнитного потока Ф_я. Для точной компенсации потока Ф_я служит шунтирующее сопротивление r_ш.

Коэффициент усиления по мощности ЭМУ составляет 5000…10000.

Наряду с неоспоримыми достоинствами (большой коэффициент усиления по мощности, сравнительно малые габаритные размеры) ЭМУ обладают существенными недостатками (склонность к самовоз­буждению, невысокая надежность и недолговечность), что объясняет возможность их приме­нения лишь в малоответственных системах автоматического регулирования.

Тиратронные усилители применяются в автоматических системах регулирования. Технические характеристики этих усилителей во многом совпадают с техническими характеристиками электронных усилителей. Основным преимуществом тиратронных усилителей по сравнению с электронными усилителями является большая выходная мощность, которая получается за счет большего анодного тока. Анодный ток для современных тиратронов колеблется от нескольких сотен миллиампер до нескольких сотен ампер. Увеличение анодного тока тиратрона возможно из-за наличия ионизированного газа в пространстве между анодом и катодом.

К недостаткам тиратронных усилителей относятся: большой разброс параметров и небольшая чувствительность, необходимость предварительного прогрева катода тиратрона до подачи питания на анод (время прогрева катода может составлять от 10 с до 40 мин). Для построения тиратронных усилителей применяются паро- или газонаполненные трех- или четырех электродные лампы.

В системах автоматики применяются комбинированные усилители, которые могут состоять из двух-трех или трех-четырех типов усилителей. Такие комбинации дают возможность использовать достоинства каждого типа усилителя. При выборе комбинированного усилителя учитываются следующие основные показатели: срок службы, надежность в работе, мгновенная готовность к работе, масса и габариты, вы­ходная мощность для управления исполнительным двигателем, чувствительность и коэффициент усиления, а также потребляемая усилителем мощность.

Достаточное распространение получили такие комбинированные усилительные системы, как электронно-тиратронные, электронно-магнитные, полупроводниково-магнитные [1, 5].