КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
1.9. Электромеханические усилители Усилителем называется устройство, входная и выходная величины которого имеют одинаковую физическую природу, и предназначенное для количественного преобразования входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания. Основное назначение усилителей – это усиление очень малых значений выходных параметров датчиков или тех измерительных схем, в которые эти датчики включены. К усилителям как элементам автоматики предъявляются следующие основные требования: статическая характеристика усилителя должна быть линейной (рис. 1.40); Рисунок 1.40. Статическая характеристика усилителя усилитель должен обладать достаточным коэффициентом усиления: k = tg = Xвых/Xвх → max частотная характеристика усилителя k = f(), где =2f, должна быть равномерной, т. е. коэффициент усиления должен оставаться постоянным в широком диапазоне частот (f 1 – f 2 ) входного сигнала, называемого полосой пропускания усилителя. 42 Исключение составляют усилители, предназначенные для усиления сигналов одной определенной частоты f 0 . Частотная характеристика таких усилителей должна быть резонансной (рис. 1.41б), т. е. коэффициент усиления должен быть максимальным только для этой частоты. Рисунок 1.41. Частотные характеристики: а – широкополосного усилителя; б – резонансного усилителя Кроме этого, усилители должны иметь высокую чувствительность. В зависимости от вида источника питания и характера входного сигнала усилители делятся на: механические; гидравлические; пневматические; электромеханические; электрические. В автоматических системах при производстве строительных работ находят применение все перечисленные разновидности усилителей, но т. к. в современных системах в основном используется электрическая энергия, в настоящем лекционном материале рассмотрены две последние. Такие усилители, называемые чаще всего электромашинными усилителями (ЭМУ), предназначены для систем автоматизированного электропривода для управления работой двигателей постоянного тока, в том числе и тяговых двигателей локомотивов. Конструктивно ЭМУ представляют собой электрические машины, приводимые во вращение асинхронными двигателями или двигателями внутреннего сгорания, и фактически они являются генераторами постоянного тока. 43 Самым простейшим ЭМУ является генератор постоянного тока (ГПТ) с независимой обмоткой возбуждения. Входным параметром подобного усилителя является ток управления (Iу) в обмотке возбуждения ОВ (w у – количество витков этой обмотки), а выходной величиной – ток в нагрузке, подключенной к якорю генератора, и протекающий под действием вырабатываемой генератором ЭДС – Е. Коэффициент усиления такого усилителя невысок и составляет k ≤ 100, но его можно увеличить, если использовать дополнительную обмотку возбуждения, подключенную параллельно якорю так, чтобы её магнитный поток Фос по направлению совпал с магнитным потоком Фу (рис. 1.42б). Рисунок 1.42. Генератор постоянного тока: а – с независимой обмоткой возбуждения; б – с параллельной обмоткой возбуждения При этом суммарный поток увеличивается. Здесь параллельная обмотка возбуждения выполняет функцию элемента положительной обратной связи, за счет чего коэффициент усиления возрастает и может достигать k = 1000. В большинстве же случаев в качестве подобных усилителей используют специальные ЭМУ с поперечным магнитным полем, представляющие собой совокупность ГПТ с короткозамкнутым якорем и несколькими обмотками возбуждения (рис.1.43). Рисунок 1.43. Электромашинный усилитель с поперечным магнитным полем 44 В конструкции такого генератора используются две пары щеток, расположенные перпендикулярно друг другу, и при этом одна пара щеток закорочена. Это приводит к появлению в цепи якоря максимального тока короткого замыкания Iк, который создает поперечное магнитное поле Фпп в генераторе очень большой величины. В результате в якоре вырабатывается максимальная величина ЭДС – Е, и выходной ток Iн, поступающий в нагрузку, значительно возрастает. Кроме этого, в цепи якоря и нагрузки включена специальная компенсационная обмотка w к , величину магнитного потока Фк которой можно изменять с помощью параллельно подключенного реостата Rш. Эта обмотка предназначена для компенсации продольного магнитного потока Фпд, создаваемого в якоре большим током нагрузки, и тем самым дает возможность управлять внешней характеристикой ЭМУ в зависимости от величины этой нагрузки, устанавливая в ней оптимальный ток. Коэффициент усиления таких ЭМУ может достигать значения k = 10000. Заметим, что источником питания рассмотренных ЭМУ является механическая энергия, приложенная к вращающемуся якорю (). 1.10. Электрические усилители Электрические усилители, использующие в качестве источников питания электрическую энергию, подразделяются на магнитные и электронные усилители. Принцип действия магнитных усилителей основан на изменении магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника с катушкой от величины подмагничивающего (управляющего) тока Iу, проходящего по этой катушке (рис. 1.44а). Это изменение объясняется нелинейностью кривой намагничивания ферромагнитных материалов (рис. 1.44б). Из графика (рис. 1.44в) видно, что величина магнитной проницаемости, определяемая выражением изменяется и зависит от параметра Н0, который создается в сердечнике током управления, проходящем по катушке. 45 Рисунок 1.44. Ферромагнитный сердечник с катушкой: а – устройство; б – кривая намагничивания сердечника; в – зависимость μ и L от напряженности магнитного поля В качестве сердечников для магнитных усилителей используются такие материалы, как специальная трансформаторная сталь или пермаллой, обладающие высоким значением величины магнитной проницаемости . Простейший дроссельный магнитный усилитель (МУ) конструктивно подобен трансформатору, т. к. у него помимо обмотки управления – w у имеется вторая обмотка w р – рабочая, подключенная последовательно с нагрузкой Rн к сети переменного тока. Величина тока нагрузки, определяемая выражением Iн = U/z, будет зависеть от тока в обмотке управления, потому что полное сопротивление цепи нагрузки зависит от её индуктивной составляющей: где L – индуктивность рабочей обмотки, а она пропорциональна величине магнитной проницаемости µ (рис. 1.44в). В результате зависимость тока в нагрузке от величины тока управления, т. е. статическая характеристика такого усилителя, имеет обратный вид (рис.1.45б). Рисунок 1.45. Дроссельный магнитный усилитель: а – устройство; б – статическая характеристика 46 Рассмотренный дроссельный магнитный усилитель обладает существенным недостатком. В его работе при увеличении тока в нагрузке и соответственно создаваемого им магнитного потока Ф в сердечнике, в обмотке управления (согласно закону электромагнитной индукции) наводится переменная ЭДС, которая искажает ток управления, увеличивает потери и снижает КПД такого усилителя. Рисунок 1.46. Магнитный усилитель с двумя сердечниками Поэтому при изготовлении МУ обычно используют два сердечника, которые охвачены одной общей обмоткой управления, а две рабочие обмотки, размещенные на каждом сердечнике отдельно, соединяются последовательно или параллельно. При такой конструкции результирующий магнитный поток в обмотке управления отсутствует, но статическая характеристика остается прежней Из всего этого можно заключить, что сигналом постоянного тока Iу небольшой мощности, подаваемым в обмотку управления магнитного усилителя, можно управлять относительно большой мощностью переменного тока Iн в нагрузке. Однако, анализируя статическую характеристику МУ, можно, с точки зрения требований к усилителям, отметить его основные недостатки: статическая характеристика линейна только на небольшом рабочем участке от Iу 1 до Iу 2 (рис. 1.45б); МУ имеет невысокий коэффициент усиления; ток в нагрузке не зависит от полярности тока управления. Так, для определения полярности входного сигнала на оба сердечника вместе с обмоткой управления укладывается ещё одна – обмотка смещения, на которую подается ток смещения от отдельного регулируемого источника питания. В результате, магнитный 47 поток этой обмотки позволяет сместить характеристику МУ влево (рис. 1.41а), и тогда при положительной полярности тока управления ток в нагрузке будет увеличиваться, а при отрицательной – уменьшаться (в пределах рабочего участка усилителя). Положение рабочей точки А усилителя устанавливается величиной тока в обмотке смещения. Для увеличения коэффициента усиления МУ, как правило, используется положительная обратная связь. Существуют различные способы её реализации, но в результате статическая характеристика усилителя изменяется (рис. 1.47 б), причём наклон её правой полуветви увеличивается, а левой – уменьшается, хотя при этом сокращается диапазон изменения входного сигнала. Следует заметить, что положительная обратная связь широко используется для создания на базе магнитных усилителей бесконтактных магнитных реле БМР (Реле). Рисунок 1.47. Статические характеристики магнитного усилителя: а – с обмоткой смещения; б – с обратной связью Рассмотренные варианты МУ и схема усилителя (рис. 1.46) называется однотактной, и её главный недостаток – наличие тока в нагрузке даже при отсутствии входного сигнала, что в некоторых устройствах недопустимо. В таких случаях применяют двухтактные схемы МУ, что позволяет получить статическую характеристику более приближенную к идеальной на её рабочем участке. На рисунке 1.48 представлено построение статической характеристики такого усилителя, состоящего из двух одинаковых однотактных усилителей с обмотками смещения По результирующей характеристике такого МУ (кривая 3) видно, что коэффициент усиления двухтактного усилителя при этом увеличивается в два раза, расширяется рабочий участок усилителя, и полярность входного сигнала изменяет направление, то есть фазу переменного тока в нагрузке. Такое изменение фазы тока нагрузки обычно применяется в системах электропривода с асинхронными двигателями, используемыми в качестве исполнительных элементов. 48 Рисунок 1.48. Статистическая характеристика двухтактного магнитного усилителя В системах автоматики широкое применение получили магнитные усилители самых различных схем и модификаций. Их основное достоинство – это возможность питания вместе с нагрузкой, например, электромагниты и электродвигатели, непосредственно от сети переменного тока. Такие усилители применяются для усиления сигналов постоянного тока и, кроме этого, они имеют простую конструкцию и высокую надёжность. К недостаткам МУ следует отнести их существенную инерционность за счёт большой постоянной времени, определяемой, в основном, обмоткой управления, довольно узкую полосу пропускания частот и искажение входного сигнала из–за нелинейности характеристики сердечника, а также довольно значительные габариты и вес. По этой причине они совершенно не используются в звукотехнике. Работа электронных усилителей основана на взаимодействии основных носителей электрического тока – электронов, с магнитными и электрическими полями в различных электронных приборах и материалах. Для построения электронных усилителей используются самые различные усилительные и управляемые элементы, такие как: электровакуумные приборы (электронные лампы); газонаполненные приборы (тиратроны); полупроводниковые приборы (транзисторы, тринисторы, интегральные микросхемы и др.). Многообразие электронных усилителей очень велико, поэтому в настоящем лекционном материале остановимся на главном. Электронные усилители чаще других применяются в современных устройствах автоматики благодаря их высоким техническим параметрам и прекрасным 49 характеристикам, минимальному потреблению энергии и небольшим габаритам и, самое главное, они практически безынерционны, соответственно, лучше всего удовлетворяют тем требованиям, которые к усилителям предъявляются. Значительные успехи в развитии техники, особенно в области технологии полупроводниковых материалов, позволили в последнее время почти полностью исключить использование электронных и ионных (газонаполненных) приборов в качестве усилительных элементов. К полупроводниковым приборам и элементам, используемым в современных усилителях, относятся: полупроводниковые резисторы, реагирующие на многие внешние факторы (именно поэтому они нашли применение в качестве различных датчиков); полупроводниковые вентили (диоды) и стабилитроны; транзисторы, многообразие которых в настоящее время особенно велико (от маломощных до сильноточных, от низкочастотных до высокочастотных); многослойные, в том числе и управляемые приборы, такие как динисторы, тиристоры (тринисторы), варисторы, семисторы и др.; оптроны (оптико–электрические преобразователи); интегральные микросхемы, представляющие собой кристаллы, в структуру которых включены различные комбинации всех выше перечисленных элементов, и являющиеся основой различных узлов современных процессоров и компьютеров. Транзисторы были первыми усилительными элементами, пришедшими на смену электровакуумным приборам, и их сначала называли полупроводниковыми триодами (по аналогии с ламповыми триодами). Они представляют собой кристаллы (в основном из германия или кремния) с тремя чередующимися областями электронного n и дырочного р типов электрической проводимости, разделенные между собой двумя p–n переходами (рис. 1.49). 50 Рисунок 1.49. Устройство транзистора При изменении силы тока через один р–п переход происходит изменение электрического сопротивления другого р–п перехода, и в результате, с помощью небольшого входного сигнала Iб (тока в цепи базы транзистора), происходит управление значительно бо́льшим током, протекающим в цепи его коллектора Ik. В автоматических системах широкое применение получили следующие разновидности усилителей: усилители постоянного тока – для усиления медленно изменяющихся во времени входных сигналов; апериодические (широкополосные) усилители – для усиления сигналов переменного тока в очень широком диапазоне частот; резонансные (избирательные) усилители – для усиления входных сигналов только одной (определённой) частоты; модулирующие усилители – для усиления и преобразования медленно изменяющегося сигнала в модулированное напряжение переменного тока высокой частоты; фазочувствительные усилители – для усиления и фазочувствительного выпрямления сигналов переменного тока. Рассмотрим схему однокаскадного широкополосного усилителя на транзисторе VT (рис. 1.50). Его работу можно проследить с помощью графического построения основных характеристик используемого транзистора (рис. 1.51) и синусоидального входного сигнала. 51 Рисунок 1.50. Электрическая схема однокаскадного широкополосного усилителя Рисунок 1.51. Работа каскада усиления на одном транзисторе По входной характеристике транзистора – зависимости тока базы от напряжения на ней (кривая 1) при наличии входного сигнала (кривая 2) происходит синусоидальное изменение тока базы (кривая 3), которое через переходную характеристику транзистора (прямая 4) изменяет соответственно и ток коллектора (кривая 5). По выходным характеристикам транзистора 6 видно, как изменяется напряжение на коллекторе и на нагрузке, подключенной к нему через выходную ёмкость Свых (кривая 7). Таким образом, незначительное изменение входного сигнала приводит к существенному изменению выходного напряжения. Линия 8 представляет собой нагрузочную прямую, наклон которой зависит от сопротивления в цепи коллектора Rk и от величины напряжения источника питания Еk. Точка А является рабочей точкой усилителя, которая устанавливается величиной тока в цепи базы Iб с помощью резистора Rб. 52 Статическую характеристику электронного усилителя – зависимость Uвых = f(Uвх) – принято называть амплитудной характеристикой (рис. 1.52а). Она линейна на участке от 0 до Uвх max , т. к. ограничена входной характеристикой транзистора и величиной источника питания Еk, а наклон её определяет величину коэффициента усиления. При необходимости получения большего усиления входного сигнала применяют последовательное включение двух и более подобных усилителей (каскадов), т. е. используют многокаскадные усилители. Рисунок 1.52. Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики электронного усилителя Частотная характеристика рассмотренного усилителя представлена на рисунке 1.52б, и полоса пропускания его (f1 – f2) ограничена, в основном, величинами входной и выходной емкостей (Свх и Свых), а также частотными свойствами самого транзистора. Рисунок 1.53. Схема резонансного усилителя Чтобы рассмотренный усилитель стал избирательным и имел резонансную частотную характеристику, необходимо в цепи коллектора в качестве нагрузки включить колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности (рис. 1.53). 53 Величина максимального коэффициента усиления такого усилителя будет определяться параметрами этого колебательного контура и находиться на частоте: Такие резонансные усилители совместно с модулирующими усилителями широко используются при частотном методе передачи информации (см. раздел 1.13). Поскольку основным видом энергии на современном производстве является переменный ток (f = 50 Гц), то в системах управления различными приводными механизмами с электродвигателями и электромагнитами широко применяются фазочувствительные усилители (ФЧУ), схема одного из которых представлена на рисунке 1.54. Рисунок 1.54. Электрическая схема фазочувствительного усилителя В этом усилителе происходит сравнение фаз двух напряжений: входного сигнала Uвx и опорного напряжения Uon, являющегося источником питания. При фазе, т. е. полярности этих напряжений, показанных на схеме без скобок, выходное выпрямленное напряжение будет положительным, а его величина пропорциональна входному сигналу. При противоположных фазах этих напряжений – напряжение на выходе будет той же величины, но отрицательным. Фазочувствительные усилители очень широко применяются с индукционными датчиками переменного тока, например, с сельсинами, а также с индуктивными датчиками при дифференциальной схеме их включения. |