Экзамен. Классификация и особенности применения По назначению и характеру выполняемых работ системы автоматики разделяют
 Скачать 1.08 Mb.
|
|
Усилители Усилитель (У) предназначен для усиления входного сигнала. В некоторых случаях с помощью У получают заданную зависимость между входным и выходным сигналом. Следует отметить, что в усилителях сигналы на входе и выходе имеют одну и ту же физическую природу. Усиление или преобразование энергии в У осуществляется за счет энергии источника питания усилителя. Основными характеристиками У являются: коэффициент усиления; линейность статической характристики; быстродействие; уровень собственных шумов; максимальная выходная мощность. В САУ применяются следующие типы усилителей: полупровдниковые, магнитные, электромашинные, гидравлические, пневматические и др. В измерительной технике широко применяются полупроводниковые У, которые имеют высокий коэффициент усиления, низкий уровень шумов, большое быстродействие. Вместе с тем эти У имеют низкую выходную мощность. Полупроводниковые усилители достаточно подробно рассматриваются в курсе Электроники. Здесь в качестве примера рассмотрим усилитель на биполярном транзисторе, схема которого приведена на рис. 9.4. Рассмотрим пример магнитного усилителя. Магнитный усилитель (МУ) представляет многообмоточный дроссель с железным сердечником. Принцип действия МУ связан с тем, что при подмагничивании сердечника магнитным полем постоянного тока происходит изменение индуктивности обмоток переменного тока. На рис. 7.6 представлена схема однотактного магнитного усилителя. Этот МУ имеет одну двухсекционную обмотку переменного тока Магнитные усилители. Классификация, назначение, применение.   Электромашинные усилители (ЭМУ). Достоинства и недостатки ЭМУ. Усилителем называют такое устройство, в котором посредством сигнала малой мощности (входная величина) управляют сравнительно большой мощностью (выходная величина). При этом выходная величина является функцией входного сигнала и усиление происходит за счет энергии внешнего источника. В электромашинных усилителях выходная (управляемая) электрическая мощность создается за счет механической мощности приводного двигателя. Электромашинные усилители (ЭМУ) представляют собой коллекторную машину постоянного тока. В зависимости от способа возбуждения электромашинные усилители подразделяются на усилители продольного поля и усилители поперечного поля. К усилителям продольного поля, в которых основной поток возбуждения направлен по продольной оси машины, относятся: 1) независимый электромашинный усилитель, 2) Электромашинный усилитель с самовозбуждением, 3) двухмашинные усилители, 4) двухколлекторный электромашинный усилитель, 5)двух- и трехступенчатые электромашинные усилители продольного поля К усилителям поперечного поля, в которых основной поток возбуждения направлен по поперечной оси машины, относятся: 1 ) Электромашинные усилители с диаметральным шагом обмотки якоря, 2) Электромашинные усилители с полудиаметральным шагом обмотки якоря, 3) Электромашинные усилители с разделенной магнитной системой. Чем меньше мощность управления электромашинного усилителя, тем меньше вес и габариты аппаратуры управления. Поэтому основной характеристикой является коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности, току и напряжению. В системах автоматического регулирования электромашинные усилители применяются в качестве усилителей мощности и работают в основном при переходных режимах, в процессе которых возникают значительные перегрузки по току. Поэтому одним из требований к электромашинному усилителю является хорошая перегрузочная способность. К числу важнейших требований, предъявляемых к электромашинному усилителю, относятся надежность в работе и стабильность характеристик. Электромашинные усилители, используемые на самолетах и транспортных установках, должны обладать минимальными габаритами и весом. В промышленности наибольшее распространение получили независимый электромашинный усилитель, электромашинный усилитель с самовозбуждением и электромашинный усилитель поперечного поля с диаметральным шагом. Коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ не превышает 100. С целью повышения коэффициента усиления по мощности ЭМУ были созданы электромашинные усилители с самовозбуждением. Конструктивно ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС) отличается от независимого ЭМУ только тем, что на его полюсах возбуждения соосно с обмотками управления размещается обмотка самовозбуждения, включаемая параллельно обмотке якоря или последовательно с ней. Τаκие усилители применяются главным образом для питания обмотки возбуждения генератора в системе генератор—двигатель и в этом случае длительность переходного процесса определяется постоянной времени генератора. В отличие от независимого ЭМУ и ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС), в которых основным потоком возбуждения является продольный магнитный поток, направленный вдоль полюсов возбуждения, в ЭМУ поперечного поля основным потоком возбуждения является поперечный поток реакции якоря. Важнейшей статической характеристикой ЭМУ поперечного поля является коэффициент усиления по мощности. Высокий коэффициент усиления по мощности получается за счет того, что ЭМУ поперечного поля является двухступенчатым усилителем. Первая ступень усиления: обмотка управления — короткозамкнутая цепь поперечных щеток. Вторая ступень: короткозамкнутая цепь поперечных щеток — выходная цепь продольных щеток. Поэтому общий коэффициент усиления по мощности kp = kp1kp2, где kp1—коэффициент усиления 1-й ступени; kp2— коэффициент усиления 2-й ступени. При использовании электромашинных усилителей в замкнутых системах автоматического регулирования (стабилизаторы, регуляторы, следящие системы) машина должна быть несколько недокомпенсирована (к=0,97÷0,99), так как в случае перекомпенсации в системе во время работы возникнет ложное возмущение за счет остатка м. д. с. компенсационной обмотки, которое приведет к возникновению автоколебаний системы. Общий коэффициент усиления по мощности ЭМУ поперечного поля пропорционален четвертой степени скорости вращения якоря, магнитным проводимостям по поперечной и продольной осям и зависит от соотношения сопротивлений обмоток машины и нагрузки. Отсюда следует, что усилитель будет иметь тем больший коэффициент усиления по мощности, чем меньше будет насыщена его магнитная цепь и чем выше будет скорость его вращения. Чрезмерно увеличивать скорость вращения нельзя, так как начинает сильно возрастать действие коммутационных токов. Поэтому при чрезмерном увеличении скорости за счет повышения коммутационных токов коэффициент усиления по мощности расти не будет, а может даже снижаться. Применение электромашинных усилителей Электромашинные усилители выпускаются серийно и нашли широкое применение в системах автоматического регулирования и автоматизированного электропривода. В системах генератор — двигатель генератор, а часто еще и возбудитель, по существу представяют собой независимые электромашинные усилители, соединенные и каскад. Наибольшее распространение получили электромашинные усилители поперечного поля. Эти усилители обладают рядом достоинств, главными из которых являются: 1) большой коэффициент усиления по мощности,. 2) малая входная мощность, 3) достаточное быстродействие, т. е. малые постоянные времени цепей усилителя. Время нарастания напряжения от нуля до номинального значения для промышленных усилителей мощностью 1-5 кВт составляет 0,05—0,1 сек, 4) достаточные надежность, долговечность и широкие пределы изменения мощности, 5) возможность изменения характеристик за счет изменения степени компенсации, позволяющая получать необходимые внешние характеристики. К числу недостатков электромашинных усилителей следует отнести: 1) относительно большие габариты и вес по сравнению с генераторами постоянного тока той же мощности, так как для получения больших коэффициентов усиления применяется ненасыщенная магнитная цепь, 2) наличие остаточного напряжения за счет гистерезиса. ЭДС, наводимая в якоре потоком остаточного магнетизма, искажает линейную зависимость выходного напряжения от входного сигнала в зоне малых сигналов и нарушает однозначность зависимости выходных параметров электромашинных усилителей от входных при изменении полярности входного сигнала, ибо поток остаточного магнетизма при постоянной полярности сигнала будет увеличивать поток управления, а при изменении полярности сигнала — уменьшать поток управления. Кроме того, под действием остаточной ЭДС электромашинного усилителя, работающего в режиме перекомпенсации, при малом сопротивлении нагрузки и нулевом входном сигнале может самовозбуждаться и терять управляемость. Это явление объясняется неуправляемым увеличением продольного магнитного потока машины, первоначально равного потоку остаточного магнетизма, за счет подмагничивающего действия компенсационной обмотки. Полупроводниковые усилители, назначение, классификация по техническому назначению. Наиболее распространенными аналоговыми электронными преобразователями являются усилители электрических сигналов. Они применяются для повышения уровня весьма слабых сигналов непосредственно с датчиков, обеспечения требуемой мощности для работы силовых исполнительных агрегатов и множества других приложений. На основе усилителей строится большинство функциональных аналоговых устройств, выполняющих преобразование сигналов (фильтрацию, изменение спектра, коррекцию формы), а также математические операции (суммирование, интегрирование, дифференцирование, нелинейную обработку). Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения интенсивности сигнала без изменения его формы. Преобразование сигнала s(t) в идеальном усилителе описывается соотношением sу (t) = K s(t – tз), где K – коэффициент преобразования, tз – интервал временизадержки. Сигнальная модель усилителя представляет собой четырехполюсник с выделенными парами входных и выходных зажимов (рис.4.1,а).  Рис.4.1. Усилитель (а) и блок – схема его формальной макромодели Для обеспечения функции усиления без искажений четырехполюсник должен быть линейным элементов с параметрами, не зависящими от формы сигнала и его уровня при заданных внешних условиях. Реальные полупроводниковые элементы электронных устройств являются нелинейными и обладают инерционными свойствами, что приводит к искажению сигналов при их преобразовании. Для описания изменения формы и спектра сигналов служат характеристики усилителя. Нелинейные искажения можно рассчитать с помощью статических входной Uвх(Iвх), выходной Uвых(Iвых) и проходной Uвых(Uвх) характеристик. Динамические свойства усилителей характеризуют зависимостью комплексного коэффициента передачи от частоты, а также переходной или импульсной функциями во временной области. Наибольшее распространение в усилительной технике получили амплитудно-частотная и переходная характеристики, типичный вид которых приведен на рис. 4.2.  Рис.4.2. Амплитудно-частотная (а) и переходная (б) характеристики усилителя Расчет электронных цепей с усилителями выполняется с использованием их схемных макромоделей, синтезированных на основе паспортных данных или экспериментальных характеристик. Типичная формальная макромодель усилителя содержит входной (Вх. Б), выходной (Вых. Б), и функциональный (ФБ) блоки (рис.4.1,б), воспроизводящие соответствующие статические характеристики (входную, выходную, проходную). Для воспроизведения динамических свойств в соответствующие блоки макромодели включают емкостные элементы, формирующие заданные частотные характеристики или временные зависимости. Технические свойства усилителя определяются системой многочисленных параметров, среди которых можно выделить: функциональные электрические (коэффициенты передачи напряжения, тока и мощности, входное и выходное сопротивления, граничные частоты полосы усиливаемых частот, динамический диапазон усиливаемых сигналов, входная и выходные емкости); эксплуатационные (напряжение электропитания и потребляемый ток, уровень выходной мощности, диапазон изменения температуры и влажности окружающей среды); конструктивно-технологические (тип исполнения и корпус, масса и габариты, способ охлаждения, наличие внешних элементов), пользовательские (надежность, стоимость). Параметры усилителей можно разделить на основные, присущие всем типам усилителей и индивидуальные, зависящие от особенностей приборов в соответствии с их классификацией. К основным относятся базовые статические параметры (Ku, Ki, Kp, Rвх, rвых), граничные частоты полосы пропускания (fн, fв); в полосе пропускания динамический диапазон амплитуд синусоидального входного напряжения  , причем значение Umax ограничено допустимыми нелинейными искажениями сигнала, а Umin определяется заданным превышением сигнала над уровнем собственных шумов. Усилители можно классифицировать по различным признакам. По роду сигналов усилители подразделяют на преобразователи непрерывных (гармонических) и импульсных сигналов. Динамические свойства усилителей гармонических сигналов описывают в частотной области с использованием спектральных параметров частотной характеристики (рис.4.2,а): полосы пропускания при заданном уровне неравномерности АЧХ, например, ± 3 дБ, граничных частот полосы пропускания, максимального значения коэффициента передачи и частоты ему соответствующей. По диапазону частот усиливаемых сигналов различают широкополосные (апериодические) и узкополосные (резонансные) усилители. В соответствии с положением полосы пропускания на оси частот выделяют усилители постоянного тока с полосой пропускания от нулевой частоты, низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. Параметры импульсных усилителей связывают, как правило, с его переходной функцией, характеризуемой временами задержки tз и нарастания tн, значениями выброса δ и спада Δ за время максимальной длительности импульса tи (рис.4.2,б). Физический эффект, заложенный в принцип действия усилителя, состоит в преобразовании электроэнергии источника питания в управляемую с помощью входного сигнала небольшой мощности энергию, которая отдается нагрузке. Процесс преобразования неуправляемой мощности источника Pи в имеющую заданные параметры мощность выходного сигнала при воздействии входного сигнала с мощностью P1 < P2, для своего описания требует более сложных моделей, учитывающих взаимосвязь параметров электропитания с сигнальными величинами. Расчет динамического диапазона усиления базируется на расчете внутренних шумов компонентов усилителя с использованием модели, учитывающей источники внутренних шумов и позволяющей анализировать характеристики случайных процессов. Таким образом, в зависимости от поставленных задач при анализе и синтезе усилительных устройств применяется совокупность моделей различной степени сложности. Большинство усилителей реализуется на основе каскадной структуры, базирующейся на представлении его комплексного коэффициента передачи в виде произведения коэффициентов передачи отдельных каскадов Kу(jω) = K1(jω) K2(jω)… KN(jω). Если параметры каскадов выбраны таким образом, чтобы минимизировать их взаимное влияние, то допустим подход к формированию ЛАЧХ усилителя путем сложения ЛАЧХ отдельных каскадов. Такой подход существенно упрощает синтез и анализ характеристик. Выбор числа каскадов, их элементной базы и характеристик позволяет получить самые разнообразные усилители для конкретных приложений. Для удобства синтеза выделяют типы каскадов (входные, промежуточные, выходные), предназначенные для решения специфических задач. Входной каскад (предварительный усилитель) обеспечивает согласование усилителя с источником сигнала и фактически определяет шумовые параметры всего усилителя и его динамический диапазон. Промежуточные каскады формируют требуемые частотные характеристики и обеспечивают заданное усиление напряжения. Выходной каскад (усилитель мощности) согласует параметры усилителя с нагрузкой во всем диапазоне ее изменения и выдает необходимую мощность выходного сигнала. Наряду с транзисторными каскадами усилитель содержит вспомогательные цепи (стабилизированные источники напряжения и тока, схемы межкаскадной связи), которые влияют на параметры усилителей. В многокаскадном усилителе связь между каскадами может осуществляться через разделительные конденсаторы, с помощью трансформатора или непосредственно. Каждый способ имеет достоинства, недостатки и области применения. Трансформатор может обеспечить хорошее согласование в диапазоне частот, но на низких частотах имеет большие габариты и поэтому применяется крайне редко в основном для подключения низкоомных датчиков к входу предварительного усилителя. Разделительные конденсаторы снижают коэффициент усиления в низкочастотной области и не могут использоваться в усилителях медленно изменяющихся (квазипостоянных) сигналов. В интегральных микросхемах усилителей применяется непосредственная (гальваническая) межкаскадная связь со схемами выравнивания уровней постоянных составляющих без разделительных конденсаторов. Основным недостатком многокаскадных полупроводниковых усилителей является существенная зависимость параметров полупроводниковых компонентов от температуры и других дестабилизирующих факторов. Для снижения влияния внешних воздействий на характеристики усилителей применяются различные схемотехнические приемы (симметрирование каскадов, компенсация воздействий). При групповой технологии в микроэлектронике удается реализовать близко расположенные компоненты с высокой степенью идентичности параметров, что позволяет уменьшить действие дестабилизирующих факторов за счет симметрирования схем. Вместе с тем основным способом построения усилителей с высокой стабильностью характеристик служит использование свойств отрицательной обратной связи. Исходная схема усилителя выполняется с существенной избыточность значений параметров (высоким входным сопротивлением, очень большим коэффициентом усиления, широкой полосой усиливаемых частот) и требуемые параметры устройства получают введением местных и общих цепей прямой и обратной передачи сигналов. Указанный подход позволил разработать универсальные усилители, с помощью которых строятся практически все аналоговые преобразователи сигналов. Развитие технологии и схемотехники позволили создать усилители с электрически управляемыми (программируемыми) свойствами (коэффициентом усиления, полосой усиливаемых частот). Это дает возможность существенно улучшить их эксплуатационные параметра за счет дополнительных аппаратных затрат. Классификация электроизмерительных приборов и систем, их обозначение. Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно самих приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки. Назначение Электроизмерительные приборы служат для контроля режима работы электрических установок, их испытания и учета расходуемой электрической энергии. К измерительным приборам относятся разнообразные аппараты, позволяющие получить максимально точные показатели в обозначенных диапазонах. Классификация В зависимости от измеряемой или воспроизводимой физической величины электроизмерительные приборы подразделяют на: амперметры (измерители тока) вольтметры (измерители напряжения) ваттметры (измерители мощности) мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока омметры (измерители сопротивления) счетчики электрической энергии и др. Различают две категории электроизмерительных приборов: рабочие — служат для для практических измерений. образцовые — для градуировки и поверки рабочих приборов. Принцип работы Несмотря на модификацию, во все электроизмерительные приборы вмонтированы преобразующие устройства. Первое выполняет задачу по конвертации измеряемых величин в сигнал, а второе - представляет их в доступной для восприятия форме. Последние устройства, как правило, имеют шкалу и стрелку или же цифровое табло (дисплей). Как выбрать При выборе электроизмерительных приборов нужно обязательно помнить о том, что для официальных исследований, контроля качества, гарантийного обслуживания, проверки устройств безопасности могут быть использованы только модели, который включены в Государственный реестр средств измерений. Также имеет смысл выбирать “интеллектуальные” электроизмерительные приборы, преимуществом которых является то, что с их помощью можно не только собирать, но и анализировать измерения. Такие устройства обладают наибольшей производительностью и функциональностью. Сферы применения Электроизмерительные приборы нашли свое применения в различных областях - помимо научных исследований, их применяют как в промышленности и энергетике, так и на транспорте, в связи, а также в медицине. Также электроизмерительные приборы используются и повсеместно в быту для учета электроэнергии. На сегодняшний день большей популярностью пользуются цифровые устройства, так как помимо повышенной точности и чувствительности к измеряемой величине, они обладают компактностью и широким диапазоном измерений. Аналоговые приборы используются в основном в качестве учебных. |