11.1 Общие положения, характеристики и классификация усилителей
В современных системах автоматики сигнал, выдаваемый датчиком, зачастую недостаточен для приведения в действие исполнительного механизма, т.к. мощность, развиваемая на выходе датчика, составляет величину порядка 10 -6 ...10 -3 Вт, а мощность, необходимая для приведения в действие исполнительных механизмов достигает порой сотен, а иногда и тысяч ватт. Поэтому в схему между датчиком и исполнительным механизмом включают усилитель.
Условно усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности, хотя все они в общем случае усиливают мощность входного сигнала. Такое подразделение вводится для того, чтобы показать, какая составляющая входного сигнала усиливается.
Обычно усилитель представляют в виде активного четырехполюсника (рис.11.1).
На входе усилителя действует входной сигнал мощностью 
, а на выходе получают выходной сигнал мощностью 
Усиление входного сигнала происходит за счет энергии внешнего источника питания (на рисунке не показан).
Рассмотрим параметры усилителя:
Коэффициент усиления - отношение приращения выходной величины к вызвавшему приращение входной величины (если эти величины разной размерности, то этот коэффициент называется коэффициентом преобразования)
по току k i =I 2 /I 1 , (11.1) по напряжению k u =U 2 /U 1 , (11.2)
по мощности k p =P 2 /P 1 . (11.3)
Соответственно усилитель называют усилителем тока, напряжения или мощности.
Иногда коэффициент усиления выражают в децибелах
(11.4)
(11.5)
(11.6)
Очевидно, что при равенстве R 1 =R 2 формулы (11.5) и (11.6) будут выглядеть так :
В случае последовательного соединения n - усилителей общий коэффициент их усиления будет равен их произведению:
k=k 1 ? k 2 ? ... ? k п , (11.7)
а при выражении коэффициентов усиления в децибелах так:
k(дБ)=k 1 (дБ)+k 2 (дБ)+...+k п (дБ) (11.8)
Амплитудная характеристика - зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала при постоянной его частоте (рис.11.2).
Из нее видно, что в некотором диапазоне входных сигналов от U min до U max характеристика практически линейна, а начиная с U max и далее-нелинейна. Это объясняется нелинейностью статических характеристик усилительных элементов.
Из рассмотрения этой характеристики следует, что входной сигнал должен быть больше U min (уровень шумов) и меньше U max (уровня допустимых нелинейных искажений).
Коэффициент нелинейности - или коэффициент нелинейных искажений определяется количеством и амплитудами высших гармоник в выходном сигнале.
(11.9)
где k f может быть выражен в процентах; U 1 , U 2 , ... U п - эффективные значения амплитуд первой и всех высших до п -ой гармоник выход- ного сигнала.
Динамический диапазон входного сигнала - диапазон значений входного сигнала, между U min и U max .
Амплитудно-частотная характеристика усилителя – зависимость амплитуды выходного сигнала (или коэффициента усиления) усилителя от частоты изменения входного сигнала при постоянной его амплитуде (рис.11.3)
Такая амплитудно-частотная характеристика характерна для электронных усилителей, и ход ее объясняется наличием емкостей.
Кроме амплитудно-частотной характеристики существует фазо-частотная характеристика - зависимость фазы выходного сигнала от частоты входного сигнала при постоянной его амплитуде.
Иными словами коэффициент усиления усилителя есть комплексная величина
(11.10)
где k - модуль коэффициента усиления; j - фаза выходного сигнала.
Усилители могут быть широкополосными (см рис. 11.3) и избирательными (узкополосными), рис. (11.4. )
Входное и выходное сопротивления усилителя – определяются как отношения входного напряжения и тока и выходного напряжения и тока
Энергетические показатели усилителя:
- выходная мощность, Р вых ;
- выходное напряжение U вых или выходной ток I вых ;
- коэффициент полезного действия h .
В настоящее время в устройствах автоматики нашли широкое применение усилители следующих типов: электрические (полупроводни- ковые, электромеханические, электромагнитные, магнитные), гидравлические и пневматические.
Транзисторные усилители представляют собой один из наиболее широко применяемых видов усилителей, используемых в первых каскадах усиления сигнала датчика. Их несомненным преимуществом в сравнении со всеми остальными являются:
- высокая надежность;
- малые габариты и потребляемая мощность;
- высокая вибро и ударопрочность;
- возможность создания блочных конструкций с целью унифика- ции и проведения быстрого ремонта путем замены неисправных блоков.
К недостаткам этих усилителей следует отнести необходимость создания схем с температурной стабилизацией и подверженность их воздействию радиационного излучения. Рассмотрим основные схемы усилителей, применяемых в системах автоматики.
Транзисторный усилитель по схеме с общим эмиттером (ОЭ).
Как усилительный элемент транзистор используется в трех вариантах включения: с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.
На рис. 11.5 показана схема усилителя с ОЭ.
Электрические элементы данного усилителя выполняют следующие функции.
R к - резистор коллекторной нагрузки;
R 1 , R 2 - делитель напряжения для создания тока смещения базы;
С 1 , С 2 - разделительные конденсаторы (пропускают переменную составляющую);
R э С э - цепочка автоматического смещения.
При отсутствии входного сигнала через транзистор текут постоянная составляющая тока коллектора и тока базы. При подаче на вход усилителя переменного напряжения синусоидальной формы при отрицательном его полупериоде транзистор приоткрывается (транзистор типа п-р-п ), коллекторный ток уменьшается, а выходное напряжение (на коллектор подается отрицательное напряжение питания Е к ) по абсолютной величине уменьшается, т.е. выходное напряжение будет в противофазе по отношению ко входному. Ток базы составляет величину около 2% от тока коллектора.
Таким образом, слабый входной сигнал - изменение тока базы регулирует относительно больший ток коллектора и, следовательно, большую мощность. Усилитель, собранный по схеме с ОЭ имеет самый большой коэффициент усиления по мощности и переворачивает фазу входного сигнала.
Цепочка автоматического смещения R э С э служит для температурной стабилизации режима работы транзистора, т.к. представляет собой элемент отрицательной обратной связи по току.
Транзисторный усилитель по схеме с общим коллектором (ОК). Очень часто бывает необходимо усиливать сигнал от датчика, имеющего высокое выходное сопротивление. Чтобы не шунтировать этот датчик (и не уменьшать величину его выходного сигнала) невысоким .
входным сопротивлением усилителя применяют усилитель, собранный по схеме с ОК (рис. 11.6).
В данном усилителе выходной сигнал снимается с резистора R э , включенного в цепь эмиттера. В силу того, что в схеме действует сильная отрицательная обратная связь по току (резистор R э ), коэффициент усиления этого усилителя по напряжению составляет величину несколько меньшую единицы (0,98 - 0,99). Кроме этого, т.к. выходной сигнал снимается с резистора R э , он совпадает по фазе с входным сигналом. При положительном полупериоде входного напряжения транзистор прикрывается, его эмиттерный ток уменьшается, и выходное напряжение по абсолютной величине также уменьшается, т.е. мы получаем его положительный полупериод.
Транзисторный однотактный улилитель мощности. Рас- смотренные ранее усилители обеспечивают усиление входного сигнала: первый - по мощности, второй - по току. Но оба они не могут обеспечить в выходных устройствах сигнал, мощность которого была бы достаточной для приведения в действие этого устройства (например, электродвигателя). Усилители, обеспечивающие выполнение этого условия, называются усилителями мощности. Особенностью усилителя мощности является то, что сопротивление нагрузочного устройства составляет величину от единицы до нескольких десятков Ом , тогда как у рассмотренных ранее усилителей оно больше.
Из электротехники известно, что условием передачи максимума мощности от одного устройства к другому является равенство выходного сопротивления первого входному сопротивлению второго, т.е. выходного сопротивления усилителя по схеме с ОЭ (его порядок 10 4 Ом) и входного сопротивления нагрузки (его порядок 10 Ом). Это достигается двумя путями : первый - выбором соответствующего транзистора; второй – применением понижающего трансформатора для согласования сопротивлений. На рис. 11.7 приведена схема однотактного усилителя мощности.
Отличие этой схемы от предыдущих заключается в присутствии выходного трансформатора Т р , согласующего низкоомное сопротивление нагрузки R н с высокоомным выходным сопротивлением усилителя. К выходу усилителя низкоомное сопротивление нагрузки R н будет приведено к величине, равной R ? н ,
R ? н =(W 1 /W 2 ) ^2 *R н , (11.13)
где W 1 и W 2 - количество витков первичной и вторичной обмотки трансформатора Т р .
Таким образом, при определенном коэффициенте трансформации (что можно сделать при расчете трансформатора) можно достичь выполнения условия получения максимальной мощности в нагрузке. Очевидно, что это условие будет выполнено при
Немаловажным параметром для усилителя мощности является величина коэффициента полезного действия, которая зависит от режима работы транзистора. В однотактных усилителях для уменьшения коэффициента нелинейных искажений применяют режим А , что не позволяет получить КПД до 50% при приемлемом уровне нелинейных искажений. Для повышения КПД усилителя применяют двухтактные схемы.
Двухтактный усилитель мощности. На рис.11.8 изображена схема двухтактного удлинителя мощности. Идея двухтактного усиления .
заключается в том, что режим работы верхнего и нижнего каскадов является режимом класса В
Для режима класса В характерно, что усиливается только один полупериод - положительный - верхней частью усилителя (транзистор V 1 ), а второй - отрицательный - нижней частью усилителя (транзистор V 2 ). Трансформатор Т р1 - входной трансформатор - обеспечивает получение из входного усиливаемого сигнала U вх двух одинаковых по амплитуде, но противоположных по фазе напряжений U 1 и U 2 . Следует отметить, что необходимым условием является довольно строгая электрическая симметрия усилителя. Выходной трансформатор Т р2 суммирует переменные составляющие коллекторных токов транзисторов V 1 и V 2 , и на выходе, в нагрузке, мы имеем усиленный по мощности сигнал.
Преимущества двухтактных усилителей мощности заключаются в том, что при высоком КПД (до 75...80%) коэффициент нелинейных искажений мал, усилитель имеет малую чувствительность к пульсациям напряжения питания. Недостатком двухтактных усилителей мощности является необходимость строгой электрической симметрии: идентичность транзисторов по их параметрам, точного вывода средней точки трансформаторов.
11.3 Тиристорные и магнитные усилители
Тиристор - четырехслойный р-п-р-п прибор - представляет собой управляемый вентиль (рис.11.9). На управляющий электрод тиристора подают небольшие по амплитуде остроконечные импульсы тока (10...100 мА) в течение положительного полупериода питающего напряжения U п . В момент прихода этого управляющего импульса средний п-р переход, который является непроводящим в исходном состоянии, открывается и остается открытым в течение всей остальной части положительного полупериода. В результате этого в нагрузке формируются импульсы тока. В открытом состоянии тиристор имеет очень маленькое сопротивление и падение напряжения на нем будет около одного вольта. Очевидно, что средний ток в нагрузке можно регулировать временем подачи управляющего импульса относительно начала положительного полупериода питающего напряжения.
Принцип действия магнитного усилителя основан на использовании зависимости индукции магнитного сердечника В от напряженности поля Н . На схеме рис. 11.10 показана схема однотактного магнитного усилителя и график, поясняющий его работу. Магнитный поток Ф опре- деляется по формуле:
Ф=В ? S,
где S - площадь поперечного сечения магнитного сердечника; а напряженность магнитного поля Н= I ? W , где W - число витков обмотки, приходящееся на единицу длины.
Настоящий магнитный усилитель представляет собой реактивное сопротивление переменному току нагрузки i н . Это реактивное сопротивление регулируется за счет подмагничивания ферромагнитного сердечника током управления i у (постоянный ток) в обмотке W у , которая имеет большое число витков. На графике рис.11.10 показана зависимость выходного тока i н в обмотках W н ? и W н ? ? и нагрузке Z н от входного тока управления i у в обмотке W у . Магнитный усилитель содержит два сердечника 1 и 2. Обмотки в цепи нагрузки W н ? и W н ? ? намотаны таким образом, что переменные составляющие магнитных потоков во внутренних частях сердечников направлены навстречу друг к другу. Вследствие этого э.д.с., наводимые переменным магнитным потоком в обмотке управления W у постоянного тока, взаимно уничтожаются. Ток управления i у изменяет величину на- сыщения сердечника. На графике рис.11.9 показано, что с увеличением тока i у уменьшается магнитная проницаемость сердечника, уменьшается индуктивное сопротивление нагрузочных обмоток W н ? и W н ? ? , а величина тока i н растет. Ток I н (действующее значение тока i н ) определяется по формуле
где R н , R об - активное сопротивление нагрузки и нагрузочных обмоток (обмотки одинаковые); Х н и Х L - индуктивные сопротивления нагрузки и нагрузочных обмоток.
Эффект усиления входного сигнала достигается благодаря тому, что число витков обмотки управления W у значительно превосходит число витков нагрузочных обмоток W н ? и W н ? ? и изменения небольшого тока управления i у приводят к пропорциональным изменениям значительно большего тока i н в нагрузке, а следовательно, и мощности. В усилителе предусматривают регулировку режима работы (изменение положения рабочей точки на характеристике Ф(Iw)). Для этого помещают на сердечниках 1 и 2 дополнительно обмотку смещения W см , питаемую постоянным током.
Рассмотренная схема магнитного усилителя является однотактной, т.е. полярность выходного сигнала не изменяется при изменении полярности управляющего сигнала. Если в этом возникает необходимость, используют двухтактную схему магнитного усилителя. Магнитные усилители обладают целым рядом преимуществ: отсутствие подвижных элементов, виброусточивость, устойчивость работы при значительных колебаниях напряжения питания, большой коэффициент усиления (10 3 ...10 5 ), возможность простого суммирования нескольких сигналов с одновременным усилением, благодаря наличия нескольких обмоток. Максимальная мощность достигает нескольких десятков киловатт.
Недостатки магнитных усилителей заключаются в следующем: возможное искажение формы тока в нагрузке из-за нелинейности харак- теристики В=f(Н), зависимость коэффициента усиления от частоты и на- пряжения питания, значительная инерционность (постоянная времени 0,001...0,1 с), большие габариты и вес.
11.4 Фазочувствительные усилители
В автоматике иногда бывает необходимо преобразовывать пере- менное напряжение сигнала в постоянное пульсирующее напряжение. Полярность этого напряжения зависит от сдвига фаз между напряжением сигнала и опорным напряжением. Эту операцию выполняют преобразовательные устройства, которые называют демодуляторами.
Устройства, производящие демодулирование без усиления по мощности, носят название фазочувствительных выпрямителей, а устройства с усилением сигнала по мощности называются фазочувствительными усилителями.
Фазочувствительный усилитель является наиболее важным и распространенным усилителем, используемым в качестве усилителя среднего значения тока. На рис.11.11 показан фазочувствительный усилитель, выполненный по однополупериодной схеме с двумя диодами.
Усилитель работает следующим образом. Переменные напряжения питания ( ~ U) и входого сигнала ( ~ U вх ) приложены через трансформаторы Т 1 и Т 2 . Если они совпадают по фазе, то в один полупериод
через открытый диод V 2 в левом контуре идет управляемый коллекторный ток транзисатора V 1 , а в правом контуре ток весьма мал, т.к. V 3 закрыт.
Другими словами, в течение одного полупериода в резисторе R 5 идет ток, зависящий от напряжения входного сигнала, а в течение друго- го (т.е. при изменении фазы на 180 о ) - в резисторе R 6 , который вместе с R 5 является резисторами нагрузки. При этом следует помнить, что U вх и U должны быть получены от одного источника.
В качестве нагрузки фазочувствительного усилителя наиболее часто является обмотка управления электродвигателя или магнитного усилителя.
11.5 Гидравлические и пневматические усилители
Наибольшее применение из всех гидравлических усилителей нашли поршневые гидравлические усилители с золотниковым управле- нием (рис.11.12).
Усилитель работает следующим образом. Насос Н нагнетает жидкость под давлением в магистраль усилителя Пределы давления жидкости регулируются стабилизатором давления СД . Перемещение штока золотника 1 является входной величиной. При перемещении штока вверх жидкость начинает поступать в верхнюю часть выходного цилиндра 2 и начинает его перемещать вниз. Жидкость из нижней части выталкивается в магистраль и поршень 2 перемещается вниз.
Так как используется энергия насоса, то при условии, что его мощность гораздо больше мощности, затрачиваемой на перемещение золотника, получим усилитель мощности.
Гидравлические усилители имеют высокое быстродействие, ма- лый вес на единицу мощности, небольшую скорость перемещения (т. е. не требуют редуктора), но они требуют высокую точность изготовления и применение жидкостей, имеющих низкий температурный коэффициент вязкости и неимеющих в своем составе воды, чтобы избежать обмерзания цилиндров при отрицательных температурах. Перечисленные выше свойства определяют применение гидравлических усилителей в устройствах автоматики.
В пневматических усилителях в качестве рабочего тела используется воздух. Это приводит к тому, что некоторая утечка воздуха вполне допустима, т. к. она легко восполнима. Из-за меньшей массы рабочего тела время срабатывания этих усилителей гораздо меньше, чем у гидравлических, но из-за сжимаемости воздуха могут возникнуть ударные явления, что отрицательно сказывается на его работе. Пневматические усилители могут работать при высоких температурах до сотен градусов, а при отрицательных температурах, когда увеличивается влажность воздуха возможно обледенение внутренних поверхностей. Целесообразно применение таких усилителей в системах, имеющих накопительные баллоны со сжатым воздухом. При небольших мощностях целесообразно пневматические усилители делать мембранного типа (рис. 11.13).
Сжатый воздух поступает по трубопроводу 1 через пневмосопротивление 2. Изменяя положение игольчатого клапана 3 (вверх-вниз), мы направляем часть воздуха в выпускной трубопровод 4, а остальную часть воздуха в емкость 5, на которой помещена мембрана 6. Давление в емкости 5, благодаря наличию сопротивления 2, изменяется и заставляет мембрану прогибаться. Мембрану, как правило, делают гофрированной.
<Назад> |